一种高速低功耗真随机数发生器

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1、３１卷第８期微电子学与计算机Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．８２０１４年８月ＭＩＣＲＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ＆ＣＯＭＰＵＴＥＲＡｕｇｕｓｔ２０１４一种高速低功耗真随机数发生器喻祖华，白创，戴葵（华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉４３００７４）摘要：提出了一种基于环形振荡器采样结构的高速低功耗真随机数发生器（ＴＲＮＧ）．其随机性源自环形振荡器的抖动，４个长度互为质数的振荡器链构成了熵源．对振荡器的输出进行异或运算，提高了随机特性，并从数学上予以证明．输出序列经冯诺依曼矫正器进行纠偏，可完全消除比特位间的偏置性．设计了一种精巧的扩散函数，对输出序列做映射处理，进一步提高了其随机特性和分布特性．测试结果

2、表明，ＴＲＮＧ输出比特流通过了Ｄｉｅｈａｒｄ和２，３．３ＶＮＩＳＴＳＰ８００－２２的系列测试，比特率达２０Ｍｂ／ｓ．采用０．１８μｍＣＭＯＳ工艺设计实现，面积为０．０１３５ｍｍ供电时功耗仅为０．７５ｍＷ，适合在高速片上加密系统中应用．关键词：真随机数发生器；环形振荡器；异或；冯诺依曼矫正；扩散函数中图分类号：ＴＮ４０２文献标识码：Ａ文章编号：１０００－７１８０（２０１４）０８－００６１－０６ＡＨｉｇｈ－ＳｐｅｅｄａｎｄＬｏｗ－ＰｏｗｅｒＴｒｕｌｙＲａｎｄｏｍＮｕｍｂｅｒＧｅｎｅｒａｔｏｒＹＵＺｕ－ｈｕａ，ＢＡＩＣｈｕａｎｇ，ＤＡＩＫｕｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｐｔｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎ

3、ｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄａｎｄｌｏｗ－ｐｏｗｅｒＴｒｕｌｙＲａｎｄｏｍＮｕｍｂｅｒＧｅｎｅｒａｔｏｒ（ＴＲＮＧ）ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｏｎａｎｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ－ｓａｍｐｌｉｎｇａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．ＩｔｓｒａｎｄｏｍｎｅｓｓｉｓｅｘｔｒａｃｔｅｄｆｒｏｍｊｉｔｔｅｒｉｎＲｉｎｇＯｓｉｌｌａｔｏｒｓ．ＦｏｕｒＲｉｎｇＯｓｃｉｌｌａｔｏｒｓｏｆｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｐｒｉｍｅｌｅｎ

4、ｇｔｈｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｔｈｅＥｎｔｒｏｐｙＳｏｕｒｃｅ．ＸＯＲｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｆｏｕｒｏｕｔｐｕｔｓｏｆｔｈｅＯｓｃｉｌｌａｔｏｒｓｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｒａｎｄｏｍｎｅｓｓ，ｗｈｉｃｈｉｓａｌｓｏｐｒｏｖｅｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｌｙ．ＴｈｅｏｕｔｐｕｔｓｅｑｕｅｎｃｅｓａｒｅｃｏｒｒｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅＶｏｎＮｅｕｍａｎｎＣｏｒｒｅｃｔｏｒｓｏａｓｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｂｉａｓｂｅｔｗｅｅｎｂｉｔｓｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ａｎｅｌａｂｏｒａｔｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｗｈｉｃｈｄｉｆｆｕｓｅｔｈｅｏｕｔｐｕｔｓｅｑｕｅｎｃｅｓｉｓｄｅ

5、ｓｉｇｎｅｄｔｏｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒａｎｄｏｍｎｅｓｓａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．ＴｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｏｕｔｐｕｔｓｅｑｕｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅＴＲＮＧｐａｓｓａｌｌｔｈｅｔｅｓｔｓｏｆＤｉｅｈａｒｄａｎｄＮＩＳＴＳＰ８００－２２，ａｎｄｔｈｅｂｉｔｒａｔｅｃｏｕｌｄｂｅａｓｈｉｇｈａｓ２０Ｍｂ／ｓ．ＴｈｅＴＲＮＧｈａｓｂｅｅｎｆａｂｒｉｃａｔｅｄｉｎａ０．１８μｍＣＭＯＳｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｕｔｉｌｉｚｅｄ０．０１３５２ｍｍｏｆｄｉｅａｒｅａ．Ｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｉｓｏｎｌｙ０．７５ｍＷｗｉｔｈａｓｕｐｐｌｙｖｏｌｔａｇｅｏｆ３．３

6、Ｖ．Ｈｅｎｃｅ，ｉｔ’ｓｖｅｒｙｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｏｎ－ｃｈｉｐｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒｕｌｙｒａｎｄｏｍｎｕｍｂｅｒｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｒｉｎｇｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ；ＸＯＲ；ｖｏｎｎｅｕｍａｎｎｃｏｒｒｅｃｔｏｒ；ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎ理过程中获取，其分布均匀，无周期性，不可预测，不１引言可重复，能够满足信息安全领域对序列的不确定性随着云计算和大数据时代的到来，信息安全问要求．因此，真随机数发生器（ＴＲＮＧ）广泛应用于安题日益凸显．作为加密算法和安全协议中的基本元全加密系统、通信系统以及统

7、计仿真系统．素，随机数在信息安全技术中扮演着极其重要的角典型的真随机数发生器通常包括三种：电阻热［１］［２－３］色．随机数又分为伪随机数和真随机数，前者由算法噪声ＴＲＮＧ，振荡器采样ＴＲＮＧ，离散混沌［４－５］产生，输出序列具有周期性，其应用局限于对安全保ＴＲＮＧ．电阻热噪声ＴＲＮＧ中，由于噪声幅度非密性要求不高的领域．而真随机数通常是从随机物常小，需要高增益的运放进行放大，而放大器有限的带宽和失调会使随机特性变差；离散