具有重復(fù)激活的振蕩器的真隨機(jī)數(shù)生成器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字電路，更特別地，涉及具有一個(gè)或多個(gè)重復(fù)地激活的振蕩器的隨機(jī)數(shù)生成器。
【背景技術(shù)】
[0002]處理器和其它電子設(shè)備(尤其是使用加密或其它安全應(yīng)用的那些電子設(shè)備)中經(jīng)常需要隨機(jī)數(shù)生成器(RNG)，其中隨機(jī)數(shù)例如用作加密密鑰。表述“真隨機(jī)數(shù)”指的是非確定性的數(shù)或數(shù)的序列，其對(duì)于它們所用于的用途而言是充分不可預(yù)測(cè)的。另一方面，偽隨機(jī)數(shù)生成器(PRNG)生成的數(shù)序列對(duì)于某些用途而言表現(xiàn)出充分的統(tǒng)計(jì)隨機(jī)性，但是其由確定性的過程生成，并且諸如對(duì)于測(cè)試用途而言甚至可精確地重復(fù)。
[0003]隨機(jī)數(shù)在許多應(yīng)用(尤其是加密或其它安全應(yīng)用)中的使用需要高度的統(tǒng)計(jì)隨機(jī)性且需要保護(hù)以免受PRNG對(duì)其不足夠真實(shí)隨機(jī)的攻擊。真隨機(jī)數(shù)生成器(TRNG)是用于至少在理論上不可預(yù)測(cè)的數(shù)字生成的表述。物理現(xiàn)象經(jīng)常通過模擬模塊用于硬件TRNG中，該模擬模塊利用諸如熱噪聲、光電效應(yīng)或原子量子現(xiàn)象的物理噪聲源來生成隨機(jī)比特流。然而，將用于這種現(xiàn)象的模擬傳感器以及相關(guān)的模擬放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)合并到本質(zhì)上是數(shù)字器件的處理器單元中通常是耗成本且不便的。
[0004]常規(guī)的純數(shù)字RNG通常是確定性的，因此不是TRNG，從而易于被攻擊。本發(fā)明提供一種TRNG，其使用簡單的邏輯電路元件，具有低功耗且與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理器兼容。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本公開的一個(gè)方面提供一種真隨機(jī)數(shù)生成器(TRNG)，包括:一個(gè)或多個(gè)振蕩器；以及輸出寄存器，其連接到所述一個(gè)或多個(gè)振蕩器以用于存儲(chǔ)隨機(jī)數(shù)輸出，其中，所述一個(gè)或多個(gè)振蕩器中的每一個(gè)接連以自由運(yùn)行振蕩階段和捕獲階段激活，在所述捕獲階段期間振蕩器是靜止的，且其中，所述輸出寄存器在每個(gè)振蕩器的所述捕獲階段期間鎖住在所述振蕩器的振蕩階段的末尾處或附近的所述振蕩器的末尾狀態(tài)，且隨機(jī)數(shù)是從所述鎖住的末尾狀態(tài)得到的。
【附圖說明】
[0006]本發(fā)明以示例方式示于附圖所示的本發(fā)明的實(shí)施例中且不限于此，附圖中相似的附圖標(biāo)記表示相似的元件。圖中的元件在簡單且清楚的意義上示出，且不一定是按比例繪制的。
[0007]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的真隨機(jī)數(shù)生成器(TRNG)的示意性框圖；
[0008]圖2是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的TRNG的示意性框圖；
[0009]圖3是用在根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的TRNG中的環(huán)形振蕩器(ring oscillator)的示意性電路圖；
[0010]圖4和圖5是在圖3的環(huán)形振蕩器的操作中出現(xiàn)的信號(hào)的曲線圖；
[0011]圖6是在根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的TRNG的操作中出現(xiàn)的信號(hào)的波形圖；
[0012]圖7是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的TRNG的示意性框圖；
[0013]圖8是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的TRNG的示意性框圖；
[0014]圖9是在圖8的TRNG的操作中出現(xiàn)的信號(hào)的波形圖；
[0015]圖10是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的生成真隨機(jī)數(shù)的方法的流程圖；以及
[0016]圖11是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的生成真隨機(jī)數(shù)的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]現(xiàn)在參照?qǐng)D1，示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的真隨機(jī)數(shù)生成器(TRNG) 100。TRNG100包括一對(duì)振蕩器102、104和用于存儲(chǔ)隨機(jī)數(shù)輸出的輸出寄存器106。振蕩器102、104每個(gè)都包括環(huán)形振蕩器，環(huán)形振蕩器具有串聯(lián)連接在振蕩器輸入108和振蕩器輸出110之間的奇數(shù)η個(gè)反相器I1至Ιη。有從振蕩器輸出110至振蕩器輸入108的反饋回路112。
[0018]如下面將更詳細(xì)描述的那樣，每個(gè)振蕩器102、104接連以自由運(yùn)行振蕩階段和捕獲階段(在此期間振蕩器是靜止的)激活。輸出寄存器106接連在每個(gè)振蕩器102或104的捕獲階段期間鎖住在該振蕩器的振蕩階段的末尾處或附近的該振蕩器的末尾狀態(tài)。然后從鎖住的末尾狀態(tài)得到隨機(jī)數(shù)輸出。
[0019]反相器I1至In可以是三態(tài)反相器，其在振蕩階段期間在有效(asserted)和無效(de-asserted)輸出狀態(tài)之間切換，且在捕獲階段期間具有高阻抗輸出。這種三態(tài)反相器具有低泄漏電流，這減小了 TRNG的電流消耗。
[0020]控制信號(hào)EN用于控制振蕩器102、104的振蕩階段和捕獲階段。信號(hào)處理器114由控制信號(hào)EN控制以用于鎖住振蕩器102、104的末尾狀態(tài)且將所選擇的末尾狀態(tài)應(yīng)用到輸出寄存器106。在所不實(shí)施例中，輸出寄存器106是串行輸入寄存器。信號(hào)處理器114將振蕩器102、104的鎖住的末尾狀態(tài)串行地施加到輸出寄存器106。也就是說，信號(hào)處理器114將振蕩器102、104的鎖住的末尾狀態(tài)交替地應(yīng)用到輸出寄存器106。
[0021]控制信號(hào)EN由在TRNG100外部的控制器(未示出)生成。控制信號(hào)EN由反相器116反相以產(chǎn)生控制信號(hào)/EN。
[0022]信號(hào)處理器114包括復(fù)用器或皿《120以及一對(duì)D觸發(fā)器122和124。反相控制信號(hào)/EN借助于線路118來施加以控制muxl20的輸入處的信號(hào)的選擇。振蕩器102、104的輸出110分別連接到觸發(fā)器122和124的D輸入，D觸發(fā)器122、124的Q輸出連接到muxl20的相應(yīng)輸入?？刂菩盘?hào)EN被施加到觸發(fā)器122的觸發(fā)輸入，且控制信號(hào)/EN被施加到觸發(fā)器124的觸發(fā)輸入。
[0023]振蕩器102的反饋回路112包括與(AND)門126的輸入，與門126的另一個(gè)輸入接收控制信號(hào)/EN。在振蕩器102的振蕩階段的開始，當(dāng)在與門126的輸入上控制信號(hào)/EN和來自振蕩器的輸出110的反饋信號(hào)(包括噪聲)二者都被有效時(shí)，振蕩器102開始振蕩。當(dāng)控制信號(hào)/EN被無效時(shí)，振蕩器102停止振蕩，進(jìn)入其捕獲階段。由于反相器116引入的延遲，恰在振蕩器102的振蕩階段的末尾處振蕩器102的振蕩開始衰減之前，控制信號(hào)EN觸發(fā)觸發(fā)器122以鎖住振蕩器102的輸出信號(hào)。振蕩器104的反饋回路112類似地包括與門128，其具有接收振蕩器104的反饋信號(hào)112的第一輸入和接收從控制信號(hào)/EN得到的控制信號(hào)的另一輸入。
[0024]為了確?？刂菩盘?hào)/EN在振蕩器104的振蕩階段末尾處振蕩器104的振蕩開始衰減之前被施加到觸發(fā)器124的觸發(fā)輸入，施加到觸發(fā)器124的觸發(fā)輸入的控制信號(hào)是來自另一反相器130的輸出信號(hào)，其引入相對(duì)于原始控制信號(hào)EN的進(jìn)一步延遲。借助于線路118施加到muxl20的控制信號(hào)/EN確保了 muxl20選擇振蕩器102或104處于其捕獲階段的觸發(fā)器122或124的輸出。muxl20的輸出施加到單輸入并行輸出(SIPO)輸出寄存器106的輸入，在該示例中，輸出寄存器產(chǎn)生TRN作為并行輸出，但是應(yīng)理解，可以提供輸出寄存器的任何其它合適配置。
[0025]現(xiàn)在參照?qǐng)D2，示出根據(jù)本發(fā)明的TRNG200的另一實(shí)施例。TRNG200包括一對(duì)振蕩器202和204、輸出寄存器106以及信號(hào)處理器114。振蕩器202和204的反饋回路112直接連接到在振蕩器輸入處的第一反相器I1的輸入。振蕩器202和204的反相器I1至In的控制輸入連接到反相器116和130的輸出。當(dāng)控制信號(hào)/EN或反相器130的輸出被有效時(shí)，振蕩器202或204的反相器I1至In被激活，振蕩器202或204開始其振蕩階段。相反，當(dāng)控制信號(hào)/EN或反相器130的輸出被無效時(shí)，振蕩器202或204的反相器I1至In被去激活(高阻抗)，振蕩器202或204的振蕩終止。
[0026]振蕩器102、104和202、204的振蕩頻率是反相器I1至In的數(shù)量以及每個(gè)反相器引入的各個(gè)延遲的函數(shù)，該延遲是組件電容(尤其是柵電容)以及工藝、電壓和溫度(PVT)參數(shù)的函數(shù)?？刂菩盘?hào)EN、/EN的重復(fù)率不與振蕩器102、104和202、204的振蕩頻率相關(guān)聯(lián)。將理解，控制信號(hào)EN、/EN的重復(fù)率應(yīng)為振蕩器102、104和202、204的振蕩和捕獲階段留下足夠的建立時(shí)間。將意識(shí)到，雖然每個(gè)環(huán)形振蕩器102、104和202、204的頻率由物理參數(shù)(諸如其反相器串I1至In引入的延遲)確