專利名稱：生成隨機數(shù)的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生成隨機數(shù)的方法和裝置。具體地，但不唯一地，本發(fā)明涉及在生成隨機數(shù)中使用一采用放射性源的隨機脈沖發(fā)生器。
當前生成隨機數(shù)的方法通常采用使用一相當簡單的計算機程序和一8-24位處理器的數(shù)學算法。該數(shù)學算法使用各種可能的數(shù)學公式而生成一自初始的籽數(shù)計算的數(shù)流。各生成的隨機數(shù)然后被使用作為籽數(shù)用于下一計算。這些算法生成通常被描述為假隨機的數(shù)(因為它們是基于一計算)且因此總有一機會使一隨機數(shù)將被重復而導致被重復的序列數(shù)的一無限閉合的循環(huán)。
另外的已知的生成隨機數(shù)的方法采用自然的不可預測的處理例如黑體輻射、布朗運動或放射性衰變。在JP58-166448中，描述了長周期假隨機數(shù)的生成，其中來自放射性鈾的毫居α輻射照射一64,000位RAM。該RAM的所有位被初始地設定至‘0’且各位被個別地復位至‘1’結(jié)果一α粒子被入射在該位上。在一預定時間周期后，在該RAM內(nèi)生成的該數(shù)被讀取為一假隨機數(shù)。以此方法，通過入射在該RAM上的α粒子的空間分布而生成假隨機數(shù)作為放射性衰變的結(jié)果。然而，該被描述的生成這些數(shù)的裝置是笨重的，因為必須將放射性源定位得遠離該RAM。而且，為了健康的原因，該裝置需要的放射強度限定了該裝置可被使用的條件。
本發(fā)明力圖提供一種至少克服上述已知方法的一些缺陷的生成隨機數(shù)的方法和裝置。而且，當在該方法中使用放射性衰變時，本發(fā)明提供了采用非常低的放射強度使可其被視為以‘虛擬地無放射’(VNR)工作的裝置。
本發(fā)明提供了一種生成隨機數(shù)的方法，包括在預定時間周期期間檢測放射性衰變事件，將檢測的事件與一選擇的輸出進行比較并在該些檢測的事件對應于該選擇的輸出時生成第一信號或在該些檢測的事件對應于非該選擇的輸出的一輸出時生成一第二信號，其中該時間周期被確定以使該些檢測的事件對應于該選擇的輸出的概率基本上等于該些檢測的事件對應于非該選擇的輸出的一輸出的概率。
理想地，該時間周期通過測量放射性衰變事件的平均數(shù)并計算該選擇的輸出被檢測的的概率為1/2的一時間周期而被確定。在一優(yōu)選實施例中，檢測放射性衰變事件，將檢測的事件與一選擇的輸出進行比較并生成第一或第二信號的步驟被周期地重復以產(chǎn)生一串第一和第二信號。這樣，當該預定時間周期被計算以使該選擇的輸出被檢測的概率等于除該選擇的輸出以外的任意輸出被檢測的概率時，可從通過重復上述步驟而生成的該串第一和第二信號生成一真隨機數(shù)。
最好，這些第一和第二信號為二進制位且該系列位被組合以形成二進制數(shù)。也可從這些二進制位確定反二進制數(shù)且這些二進制數(shù)和反二進制數(shù)可被轉(zhuǎn)換成模擬數(shù)。
另外，該預定的時間周期可依據(jù)于檢測的平均值而被調(diào)整。該檢測的平均值可通過對重復的檢測的衰變事件數(shù)進行求和以計算一總輸出且然后將該總輸出除以衰變事件被檢測的被求和的總時間周期。
在另一種方法中，多個放射性隨機事件源的各個輸出在各時間周期期間被檢測且各檢測的輸出與該選擇的輸出進行比較從而同時生成多個第一或第二信號。
在另一方面中，本發(fā)明提供用于生成隨機數(shù)的裝置，包括一衰變檢測器，用于檢測放射性衰變事件；一定時器，用于控制通過該衰變檢測器檢測衰變事件的時間周期；一比較器裝置，用于將這些檢測的事件與一選擇的輸出進行比較；及一數(shù)發(fā)生器，用于當這些檢測的事件對應于該選擇的輸出時生成一第一信號及用于當這些檢測的事件對應于非該選擇的輸出的一輸出時生成一第二信號。
最好，該衰變檢測器包括一放射性源和一對衰變產(chǎn)物的輻射敏感的半導體襯底形式的檢測器。例如該檢測器可以是一PIN二極管。理想地，該裝置安裝在一半導體芯片上并形成該芯片的部分。
可設置存儲器裝置，用于序列地存儲生成的第一和第二信號從而形成一隨機二進制數(shù)，且可設置一數(shù)一模轉(zhuǎn)換器，用于將存儲的隨機二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成一模擬數(shù)。
另外，可設置一反饋裝置，用于依據(jù)于該隨機事件源的檢測的平均輸出來調(diào)整該預定的時間周期。
下面參考本發(fā)明所基于的概率理論的說明、下面給出的詳細示例及作為該描述的示例中執(zhí)行的邏輯操作的視圖的

圖1，通過該示例對本發(fā)明的一實施例進行描述。
理論本發(fā)明是基于這樣的關系一例如隨機脈沖發(fā)生器(RPG)的隨機事件源可生成隨機數(shù)，當該RPG的平均脈沖輸出被設定以使在一固定周期期間有該RPG生成一選擇的輸出或生成任一其他輸出的相等的概率時。這要求該概率對于正生成的該選擇的輸出是1/2且因此對于正生成的任一其他輸出也是1/2。
通過泊松概率函數(shù)對一RPG在一固定時間內(nèi)發(fā)射m個脈沖的一輸出的概率進行描述MPm=Mm·e-M/m！其中m為在測量期間出現(xiàn)的隨機脈沖數(shù)，M為每次測量的平均脈沖輸出及MPm為m個脈沖出現(xiàn)的概率。
對于該選擇的輸出為無脈沖且任一其他輸出因此為一或多個脈沖的情況，RPG在該固定時間期間不發(fā)射的概率為MP0=M0·e-M/0！=e-M由于該概率對于正生成的該選擇的輸出是等于1/2，可求解出e-M=1/2，給出M=ln2=0.693147181…可對不同的選擇的輸出推導出其他的類似的公式。例如該PRG生成0或1作為選擇的輸出的概率如下
MP0或1=M0·e-M/0！+M1·e-M/1！=e-M(1+M)進而給出e-M(1+M)=1/2且M=1.67835…自然意味脈沖輸出還提供對于該RPG在該固定時間內(nèi)生成非0或1(即2或更大)的一輸出的1/2的概率。
從上將清楚地看到可為任一選擇的輸出確定平均脈沖輸出，其中正生成的這(些)選擇的輸出的概率為1/2。通常其他的選擇的輸出不提供超過以上給出的示例的任何優(yōu)點。
方法為了生成一隨機數(shù)，配置一隨機事件源例如一RPG以使有在一RPG生成一選擇的脈沖數(shù)的情況下正被檢測的一選擇的輸出與有任一其他輸出或任一除該正被檢測的選擇的數(shù)之外的任意數(shù)脈沖相同的概率。對于一預定的固定的時間周期將由該源生成的事件數(shù)進行計數(shù)且將計數(shù)的總數(shù)與該選擇的輸出進行比較。當該計數(shù)的事件數(shù)等于該選擇的輸出時，生成二進制‘1’而當該計數(shù)的事件數(shù)不同于該選擇的輸出時，生成二進制‘0’。然后重復該程序一或多次以生成一串二進制數(shù)字，該程序被執(zhí)行的總次數(shù)等于在這樣形成的二進制數(shù)中期望的數(shù)字數(shù)。當生成二進制‘1’或生成二進制‘0’的概率是相等的時，所有相等長度的‘1’序列和‘0’序列具有相等的出現(xiàn)概率且因此這些數(shù)字串是真正隨機的。所得到的隨機數(shù)可以以二進制形式被保持或可被轉(zhuǎn)換成等效的模擬數(shù)字。
顯然每當重復該程序時，生成二進制‘1’或二進制‘0’的情況可被反轉(zhuǎn)或可被改變。而且，當該選擇的輸出是無輸出脈沖時，在該預定時間周期期間生成的脈沖數(shù)不需要被計數(shù)。代之以，由當檢測到第一脈沖時被致動的一開關導致二進制‘1’或‘0’的生成。
裝置該裝置由一隨機事件源和各自事件檢測器組成。該檢測器被連接至一計數(shù)器和一時鐘以使可對一預定時間周期的檢測的事件數(shù)進行計數(shù)。該計數(shù)器進而被連接到一比較器，該比較器將該計數(shù)器的輸出與一相關存儲器中存儲的一選擇的輸出相比較。帶有一移位寄存器的一多位RAM被連接至該比較器的輸出端以使來自該比較器的序列的輸出可被存儲在該RAM的序列的位中。當該選擇的輸出為一或多個事件時，則不需要該計數(shù)器和比較器而替代地可直接將該檢測器連接至該RAM。
該隨機事件源最好采用低放射性輻射源RPG，其發(fā)射α、β、γ、x射線、轉(zhuǎn)換電子、俄歇電子或其他由放射性衰變引起的隨機輻射發(fā)射。較好的發(fā)射基本上是單能α粒子或轉(zhuǎn)換電子且理想地這些發(fā)射是來自一具有較長的半衰期的放射性核素例如241Am、252Cf、250Cf、226Ra、238U、244Cm、243Cm、223Th、208Po、209Po、210Po、238Pu、或148Gd或它們的組合的α粒子。該RAM中的放射性核素可以是一小片薄金屬箔的形式或可被沉積在一單獨的襯底上。在兩種情況下，該放射性核素被定位在該檢測器的表面的幾微米內(nèi)。該檢測器可以是包括一小片硅或其他對放射性發(fā)射敏感的固態(tài)半導體材料。另外一種替換方案，該放射性核素可被直接沉積到一充當該襯底的半導體芯片上。當將一偏置電壓施加至該檢測器時，照射在該檢測器上的由該RPG發(fā)射的α粒子產(chǎn)生可由如上所述的適當?shù)南嚓P電路檢測和計數(shù)的一電壓和/或電流脈沖。另外一種替換方案，當自然本底輻射將被檢測到時僅需要采用一衰變檢測器。
適于生成隨機數(shù)的一RPG可具有在每秒10-3和106個脈沖之間的一平均脈沖輸出。較好的每秒平均輸出是10-7和104個脈沖，更好的是每秒1-1000個脈沖。期望的平均輸出依據(jù)于對具體的有關應用所要求的該RPG的輸出率。例如，具有每秒10個脈沖的平均輸出的-RPG可包含0.7nCi左右的放射性α發(fā)射核素，帶有一具有約40％的整體效率的PIN二極管檢測器。具體地該RPG的平均輸出必須通過定時約1000個脈沖的生成而被實驗地確定。具有上述的RPG，該測量將取約100秒左右。該測量中的統(tǒng)計不定性導致該RPG的測量的輸出中的+/-3.16％的不定性(帶有68％的置信水平或1個標準偏差)。
一旦得知該RPG的平均輸出，來自該RPG的脈沖必須被計數(shù)的時間周期可被計算以確保生成的選擇的脈沖數(shù)的1/2的概率。當選擇的脈沖數(shù)為零且具有上述RPG時，該測量時間周期為ln2/10=0.0693秒(+/-3.16％)。
可從圖1看到，連接至該RPG的一計數(shù)器電路計數(shù)預定時間周期內(nèi)的由該RPG生成的脈沖數(shù)，在該示例中，該預定時間周期為0.0693秒。計數(shù)結(jié)果被輸入一控制芯片的存儲器，該控制芯片被編程以詢問該存儲器并在該計數(shù)為零時生成一‘0’或在計數(shù)為非零時生成一‘1’，反之亦然。
該RPG輸出被反復計數(shù)，導致該控制芯片生成一連續(xù)的‘0’和‘1’的隨機流。這些隨機數(shù)字可立即被使用或可被存儲在一具有移位寄存器的RAM中以使序列地生成的數(shù)字被序列地存儲在該RAM中。在每秒10個脈沖的一平均輸出時，生成每秒約15個數(shù)字左右。顯然這些數(shù)字的生成率依據(jù)于該RPG的放射性。根據(jù)通常經(jīng)驗，假定整體檢測效率為40％,1nCi產(chǎn)生每秒約21個‘0’或‘1’。例外的情況是每次衰變發(fā)射5個α粒子的226Ra。在此情況下，每nCi的生成率快5倍(即≌每nCi每秒105個‘0’或‘1’)。
以下給出上述裝置的輸出的一假定的示例。RPG輸出(計數(shù))(0020113000100102)(2111010000012104)(01000…該假定流的平均輸出為≌每次測量1n2個脈沖(即37次測量中的26個脈沖=每次測量0.7)控制芯片輸出(0010111000100101)(1111010000011101)(01000…反芯片輸出(1101000111011010)(0000101111100010)(10111…該‘0’和‘1’的隨機流被用于通過將該數(shù)字流組合成塊而構(gòu)成二進制數(shù)。例如，采用16個數(shù)字的塊，可生成高達65536個隨機數(shù)。在該示例中，括號中包括的數(shù)字生成以下數(shù)1)0010111000100101=118131101000111011010=53722(反芯片輸出)2)1111010000011101=624930000101111100010=3042自然可適當?shù)夭捎貌煌L度的塊。
替代在一流中序列地生成二進制數(shù)的位，可采用一排RPG，各生成該二進制數(shù)的一各自的隨機位。必須為各RPG確定一單獨的時間周期以確保各獨自的RPG生成該選擇的輸出的概率為1/2。這樣可基本上同時生成該二進制數(shù)的這些位，自然保證了比序列地生成該二進制數(shù)的各位的情況更快地生成隨機數(shù)。
在一實際裝置中，由于在平均輸出的測量中一直有一些統(tǒng)計的不定性，該裝置永遠不可能將該平均輸出設定至精確地為1/2的概率。由于例如PIN檢測器二極管的劣化或放射性衰變，在其工作壽命期間該裝置的性能將會發(fā)生偏移。這些影響將使該裝置根據(jù)平均輸出低于或高于期望值多少而平均地產(chǎn)生稍多的‘0’或‘1’。
即使該平均輸出未被精確地設定，該‘0’和‘1’的流將依然是隨機和不可斷定的。僅這些隨機數(shù)的發(fā)生概率是不相等的。換句話說，一些帶有比‘1’多的‘0’的二進制數(shù)比那些帶有比‘0’多的‘1’的二進制數(shù)稍微更加頻繁的出現(xiàn)(反之亦然)。對于大多數(shù)應用，這不是一個問題。如果需要以下所述的方法可幫助確保期望的平均輸出的精度。
當RPG的平均輸出未與期望的平均輸出精確地相匹配時，在輸出中將有一偏移以如果該測量時間周期太短則平均地產(chǎn)生更多的‘0’或如果該時間周期太長則產(chǎn)生更多的‘1’。為提高該裝置的精度，可包括一反饋機構(gòu)，監(jiān)視該RPG的平均輸出。該反饋裝置進行工作以對該RPG的脈沖輸出進行求和以確定一累積總脈沖輸出且在同時記錄該總測量時間。如果需要，該數(shù)據(jù)然后被用于計算該RPG的實際平均輸出，該實際平均輸出然后被使用以調(diào)整該測量周期。該放射性衰變的統(tǒng)計特性確保該裝置工作的越長，任意偏移將逐漸地減少。
除了該反饋裝置使實現(xiàn)了確定精確的測量時間周期外，對于該反饋裝置，可使用更短壽命的放射性同位素例如252Cf(2.64y)或208Po(2.9y)。就它們在假定5到10年的可用工作壽命后在該材料中未留下放射性痕量來說，這些更短壽命的放射性同位素提供了附加的環(huán)境和管理上的益處。
盡管專對于使用放射性衰變作為隨機事件源的裝置進行了參照，可以理解該方法和這些裝置可采用任意隨機或假隨機處理，產(chǎn)生離散的、可檢測的事件。而且，記錄這些事件的裝置和用于生成這些隨機二進制數(shù)的控制電路可被改變同時仍然保證在可為二進制或可使用另外替代的基數(shù)的隨機數(shù)的生成中采用這些隨機事件的出現(xiàn)。
如上所述，采用所述方法，用于生成隨機數(shù)的裝置可被做得很小，小得足以被形成在一半導體芯片上且由于非常低的放射性含量，不需要特殊的屏蔽且該裝置不會歸于限制具有較高放射性的材料的使用的法規(guī)的控制之下。這進而意味著該裝置可在通常的消費品中被使用。而且，不象數(shù)學算法，所述方法可提供真隨機數(shù)。
因此該方法和裝置適用于較寬范圍的應用領域，包括保密監(jiān)視和控制、統(tǒng)計參數(shù)控制和分析、游戲機及加密。例如，該裝置可與智能卡技術一起使用以使該智能卡在每次使用時生成一新的隨機數(shù)，然后在后續(xù)的時機上被重復作為識別。
權利要求
1．一種生成隨機數(shù)的方法，包括在一預定時間周期期間檢測放射性衰變事件；將檢測的事件與一選擇的輸出進行比較；并在這些檢測的事件對應于該選擇的輸出時生成一第一信號或在這些檢測的事件對應于除該選擇的輸出之外的一輸出時生成一第二信號，其中該時間周期被確定以使對應于該選擇的輸出的檢測的事件的概率基本上等于對應于除該選擇的輸出外的一輸出的檢測的事件的概率。
2．根據(jù)權利要求1所述的方法，其中這些檢測放射性衰變事件、將這些檢測的事件與一選擇的輸出進行比較并生成第一或第二信號的步驟被循環(huán)地重復以產(chǎn)生一串第一和第二信號。
3．根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中這些第一和第二信號為二進制位且這些位被組合以形成二進制數(shù)。
4．根據(jù)權利要求3所述的方法，其中也自這些二進制位確定反二進制數(shù)。
5．根據(jù)權利要求3或4任一所述的方法，其中這些二進制數(shù)和反二進制數(shù)被轉(zhuǎn)換成模擬數(shù)。
6．根據(jù)前面任一權利要求所述的方法，其中不執(zhí)行這些檢測的事件的計數(shù)且該選擇的輸出是一或多個檢測的事件從而當在該預定時間周期期間檢測到至少一放射性衰變事件時生成該第一信號并當在該預定時間周期期間未檢測到放射性衰變事件時生成該第二信號。
7．根據(jù)前面任一權利要求所述的方法，其中這些放射性衰變事件是使用一具有一放射性源的隨機事件發(fā)生器而被檢測的。
8．根據(jù)權利要求7所述的方法，其中在各自時間周期期間使用多個隨機事件發(fā)生器同時地單獨地檢測放射性衰變事件且將自各隨機事件發(fā)生器的輸出與該選擇的輸出進行比較，從而同時生成多個第一和/或第二信號。
9．根據(jù)前面任一權利要求所述的方法，還包括步驟確定包括測量放射性衰變事件的平均數(shù)的對衰變事件進行檢測的時間周期。
10．用于生成隨機數(shù)的裝置，包括一衰變檢測器，用于檢測放射性衰變事件；一定時器，用于控制通過該衰變檢測器檢測衰變事件的時間周期；一比較器裝置，用于將這些檢測的事件與一選擇的輸出進行比較；和一數(shù)發(fā)生器，用于在這些檢測的事件對應于該選擇的輸出時生成一第一信號或在這些檢測的事件對應于除該選擇的輸出之外的一輸出時生成一第二信號。
11．根據(jù)權利要求10所述的裝置，包括一存儲器，用于序列地存儲所生成的第一和第二信號從而形成一隨機二進制數(shù)。
12．根據(jù)權利要求10或11任一所述的裝置，其中該衰變檢測器包括一放射性源。
13．根據(jù)權利要求12所述的裝置，其中該源的放射性含量小于1μCi。
14．根據(jù)權利要求13所述的裝置，其中該源的放射性含量在1×10-8和1×10-10Ci之間。
15．根據(jù)權利要求10至14任一所述的裝置，其中還包括有一計數(shù)器，用于計數(shù)在一預定時間周期期間由該衰變檢測器檢測的衰變事件數(shù)。
16．根據(jù)權利要求10至14任一所述的裝置，其中該裝置未包括一事件計數(shù)裝置。
17．根據(jù)權利要求16所述的裝置，其中該比較器裝置是一開關裝置的形式，根據(jù)在該預定時間周期期間該衰變檢測器是否檢測到至少一衰變事件而在一第一信號輸出和一第二信號輸出之間開關。
全文摘要
為了生成隨機數(shù)，具有一放射性源的一隨機脈沖發(fā)生器的輸出被監(jiān)視且在一預定時間周期期間上對檢測的衰變事件數(shù)進行計數(shù)。該檢測的事件數(shù)然后被與一或多個選擇的數(shù)進行比較且在該檢測的計數(shù)等于該一或多個選擇的輸出時生成一第一信號，例如二進制‘1’或在該檢測的計數(shù)不等于該一或多個選擇的輸出時生成一第二信號，例如二進制‘0’。該時間周期被確定以使生成的第一信號的概率等于生成的第二信號的概率。這樣通過重復產(chǎn)生一二進制“1”和“0”的流的上述方法步驟可生成一真隨機數(shù)。實際上該裝置工作不要求放射性且原則上其可被集成入一單個芯片。
文檔編號H03K3/00GK1227679SQ9719710
公開日1999年9月1日 申請日期1997年8月6日 優(yōu)先權日1996年8月6日
發(fā)明者馬克·戈爾德·希爾頓 申請人:尼庫米特阿默舍姆公司