高速低功耗真随机数发生器研究与实现

摘要

随着信息技术的不断发展，云计算和大数据时代已经到来。信息安全问题日益凸显，加密技术和安全加密芯片将发挥越来越大的作用。真随机数由于具有不可预测、非周期性，在信息安全领域被广泛使用。真随机数发生器是加密技术和安全加密芯片中不可或缺的组件，高速、高性能真随机数发生器是高性能安全芯片的基石。
　　真随机数发生器的实现方法一般有三种：噪声直接放大法，振荡器采样法，离散混沌电路法。噪声直接放大方法，由于噪声幅度非常小，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；离散混沌开关网络电路太过复杂，很难同时满足高速和低功耗的目标，同时这种电路还存在稳定性问题；基于振荡器采样结构的随机数发生器，利用振荡器中的时序抖动作为随机源，经采样输出再进行后处理，进而得到随机序列。这种电路结构简单，容易集成到数字处理器中。此外，由于不需要高耗能的放大器等模拟部件，不但使电路分析变得简单，也有利于实现低功耗设计。
　　基于此，本文设计实现了一款基于振荡器采样结构的真随机数发生器，并完成了随机性测试。该随机数发生器由熵源、采样电路和后处理电路三部分组成。熵源由互为质数的4条环形振荡器链和异或门组成，充分利用了振荡器的相位抖动；简单而有效的冯诺依曼矫正器削除了熵源输出比特位间的偏置性。此外，设计了一种精巧的扩散函数作为后处理电路，使输出序列满足均匀分布的统计特性。该 TRNG输出比特流通过了Diehard及NIST SP800-22测试软件包的验证，输出比特率高达20Mbps。典型工作电压为3.3V，功耗为0.75mW，芯片面积为0.0135mm2。因其具备高速度、低功耗的特点，可广泛应用在高速片上加密系统中。

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1 绪论

1.1 随机数发生器概述

1.2 随机数发生器的应用

1.3 随机数发生器研究进展

1.4 论文研究内容及结构安排

2 真随机数发生器原理与实现方法

2.1 直接放大噪声方法

2.2 混沌电路方法

2.3 环形振荡器噪声分析

2.4 高低频振荡器采样

2.5 同频振荡器采样

2.6 后处理电路

2.7 本章小结

3 真随机数发生器设计与实现

3.1 互为质数的反相器链

3.2 异或运算

3.3 基于SR锁存器的采样电路

3.4 冯诺依曼矫正器

3.5 扩散函数

3.6 本章小结

4 真随机数发生器随机性测试

4.1 TRNG数据采集

4.2 Diehard测试

4.3 NIST测试

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 课题展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的学术成果

附录2 Diehard测试结果

附录3 NIST测试结果