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1、(10)申请公布号 CN 103902250 A (43)申请公布日 2014.07.02 CN 103902250 A (21)申请号 201410085440.1 (22)申请日 2014.03.10 G06F 7/58(2006.01) (71)申请人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38 号 (72)发明人 沈海斌 庞博 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 林松海 (54) 发明名称 低功耗随机物理源及其设计方法 (57) 摘要 本发明公开了一种低功耗随机物理源及其设 计方法。使用概率电路计算单元构建斐波那契振 荡结构实现基于。
2、概率分布电流信号振荡的低功耗 随机物理源， 同时为防止随机物理源停止振荡， 设 计概率信号放大单元级联于概率电路软异或门之 后， 将接近与 50% 的概率分布电流信号拉大到远 离 50%。本发明金属氧化物场效应管 （MOSFET） 工 作在亚阈值饱和区， 工作电流小， 且概率电路计算 单元电路结构简单， 因此整体功耗极低。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103902250 A CN 103902250 A 1/1 页 2 1. 。
3、一种低功耗随机物理源， 其特征在于， 它主要包括概率电路计算单元中的软异或门、 软非门， 以及概率电路放大单元三个部分， 软非门从左至右进级联， 一级软非门的输出连接 下一级软非门的输入， 以此类推， 软非门的输出端与最近的一级需要反馈的软非门的输出 端输入到软异或门的输入端， 软异或门的输出端连接概率电路放大单元的输入端， 概率电 路放大单元的输出端再与下一级需要反馈的软非门的输出端再接入下一级的软异或门的 输入端， 以此类推， 最后， 将最后一级概率电路放大单元的输出端接入到第一级软非门的输 入端， 从而实现整个随机物理源的结构。 2. 一种低功耗随机物理源的设计方法， 其特征在于， 使用。
4、基于概率分布电流 信号的概率电路计算单元构建斐波那契随机振荡结构的低功耗随机物理源 ； 使用工作 在亚阈值饱和区的金属氧化物场效应管 （MOSFET） 设计所述低功耗随机物理源中的概率电 路计算单元 ； 设计概率电路放大单元串接于每一级概率电路软异或门单元之后， 防止由于 概率分布电流信号多次通过软异或门单元迭代之后， 概率分布电流信号振荡逐渐停止。 权 利 要 求 书 CN 103902250 A 2 1/3 页 3 低功耗随机物理源及其设计方法 技术领域 0001 本发明涉及一种低功耗随机物理源及其设计方法。 背景技术 0002 随机物理源作为随机序列产生的重要设备， 在保证系统信息安全性。
5、方面扮演着重 要角色。在基于 Internet 或计算的的交易通信中有着广泛的应用， 例如， 秘钥的产生及管 理、 数据加密、 电子签名认证、 网络商务、 身份鉴定以及蒙特卡洛仿真等都需要用到随机物 理源产生的随机序列。 0003 当集成电路设计工艺进入超深亚微米工艺， 较大的功耗逐渐成为阻碍集成电路设 计进一步发展的瓶颈， 对于随机物理源设计而言， 高的功耗不仅意味着将耗费更多的资源， 同时， 伴随着的发热将直接导致芯片电路使用寿命的缩短， 由此带来的散热问题将导致额 外的设计资源的开销。此外， 为了防止攻击者对于随机物理源的随机序列输出及其内部结 构的探测攻击， 进而能够对基于随机序列生成。
6、的秘钥等保密信息进行破解， 我们需要尽量 降低随机物理源的功耗。 0004 现有的随机物理源设计方法主要由电路噪声放大、 基于混沌随机物理源设计以及 基于振荡采样等方法 ： 基于电路噪声放大的随机物理源设计由于需要一个高增益高带宽的 放大器， 因此功耗较大 ； 基于混沌理论的随机物理源设计由于使用大量电容结构充放电， 致 使设计功耗偏大 ； 基于振荡采样的方法由数字逻辑门构建， 由于数字逻辑门延时小， 导致振 荡频率过高， 从而导致巨大的漏电流功耗及翻转功耗。 因此， 到目前为止还没有一种低功耗 随机物理源满足要求。 发明内容 0005 为了克服现有技术的不足， 本发明的目的是提供低功耗随机物。
7、理源及其设计方 法。 0006 一种低功耗随机物理源， 主要包括概率电路计算单元中的软异或门、 软非门， 以及 概率电路放大单元三个部分， 软非门从左至右进级联， 一级软非门的输出连接下一级软非 门的输入， 以此类推， 软非门的输出端与最近的一级需要反馈的软非门的输出端输入到软 异或门的输入端， 软异或门的输出端连接概率 电路放大单元的输入端， 概率电路放大单元 的输出端再与下一级需要反馈的软非门的输出端再接入下一级的软异或门的输入端， 以此 类推， 最后， 将最后一级概率电路放大单元的输出端接入到第一级软非门的输入端， 从而实 现整个随机物理源的结构。 0007 一种低功耗随机物理源的设计方。
8、法， 使用基于概率分布电流信号的概率电路计算 单元构建斐波那契随机振荡结构的低功耗随机物理源 ； 使用工作在亚阈值饱和区的金属氧 化物场效应管 （MOSFET） 设计所述低功耗随机物理源中的概率电路计算单元 ； 设计概率电 路放大单元串接于每一级概率电路软异或门单元之后， 防止由于概率分布电流信号多次通 过软异或门单元迭代之后， 概率分布电流信号振荡逐渐停止。 说 明 书 CN 103902250 A 3 2/3 页 4 0008 本发明的有益效果 ： 由于金属氧化物场效应管 （MOSFET） 工作在亚阈值饱和区， 因 此工作电流极低， 同时， 由于工作电流降低， 使概率电路计算单元的延时增大。
9、， 从而降低随 机物理源的振荡频率从而降低功耗。此外， 由于概率门级延时大， 无需串接多级软非门单 元来调整各概率电路计算单元延时平衡， 因此， 本发明使用概率电路计算单元的数量少， 同 时， 概率电路计算单元结构简单， 每个概率电路计算单元的MOS管数仅为10个左右， 系统整 体尾电流支路少， 进而进一步降低了设计功耗。 附图说明 0009 图 1 是本发明低功耗随机物理源的结构示意图 ； 0010 图 2 是概率电路软异或门电路结构示意图 ； 0011 图 3 是概率电路软非门电路结构示意图 ； 0012 图 4 是概率信号放大单元电路示意图。 具体实施方式 0013 下面结合附图详细说明。
10、本发明。 0014 图 1 是本发明实现的一种结构， 如图所示， 本发明的由概率电路计算单元中 的软异或门、 软非门以及概率电路放大单元三个部分构成， 本发明使用概率分布电流 信号振荡形成随机振荡输出。其具体连接关系是 ： 软非门从左至右进级联， 一级软非 门的输出连接下一级软非门的输入， 以此类推， 我们设从左至右一共有 r 级软非门， 分 别以从 1 至 r 编号， 这 r 级软非门按照反馈多项式进行抽头反馈， 反馈多项式表示为 ： 反多项式表示的意义是 ： 如果反馈多项式中 fi 1 表示该级软异或门需 要进行抽头反馈， 如果反馈多项式中 fi 0 表示该级软异或门不需要进行抽头反馈， 。
11、反馈 多项式中f0fr1， fr1这表示第r软非门输出一定需要反馈， f01表示软非门的抽 头反馈需要反馈回第一级软非门的输出。我们从第 r 级软非门的输出开始， 从右到左， 将第 r 级软非门的输出端与最近的一级需要反馈的软非门的输出端输入到软异或门的输入端， 软异或门的输出端连接概率电路放大单元的输入端， 概率电路放大单元的输出端再与下一 级需要反馈的软非门的输出端再接入下一级的软异或门的输入端， 以此类推， 最后， 将最后 一级概率电路放大单元的输出端接入到第一级软非门的输入端， 从而实现整个随机物理源 的结构。为防止随机物理源停止振荡， 我们在每一级软异或门之后都需要串接一个概率电 路。
12、放大单元。图 1 中概率分布电流信号 (lp(0)， lp(1) 经过不断迭代振荡产生输出随机概 率分布电流信号 (lp(0)out， lp(1)out)。随机概率分布电流信号经过采样变换之后得到输出 随机序列。 0015 概率电路计算单元使用电流值来表示概率分布信号。图 1 中软异或门的电路原 理图如图 2 所示， 软异或门输入概率分布电流信号输 出概率分布电流信号由于软异或门电路中所有 MOS 管工作在亚阈值饱和 区， 即 MOS 管的 Vgs Vth且 Vds电压足够大， 此时， 即对于 MOS 管的源漏电流 lDS满足 lDS l0exp(Vg-Vs)/UT， 其中 Vg、 Vs分别 。
13、说 明 书 CN 103902250 A 4 3/3 页 5 0016 图 1 中软非门的电路原理图如图 3 所示， 软异或门输入概率分布电流信号 输出概率分布电流信号软非门所 有 MOS 管同样工作在亚阈值饱和区， 软非门的输入输出关系式为 ： 0017 0018 由于概率分布电流信号在多次通过软异或门之后， 将逐渐趋近于尾电流的一半 1/2 导致随机振荡停止， 因此需要在每一级软异或门之后串接概率信号放大单元来防止这 一情况的发生。图 1 中概率电路放大单元电路原理图如图 4 所示， 概率信号放大单元将接 近于 1/2 的概率分布电流信号拉大到远离 1/2。概率信号放大单元由输入级和放大级。
14、两级 组成。输入级将概率分布电流信号 (lpX(0)， lpX(1) 放大到 (2lpX(0)， 21pX(1)， 并分别与 电流I作差， 得到较大电流i， 以及极小电流imin， 输入到放大级。 放大级中， 输入i对 应支路工作在亚阈值饱和区， imin对应支路将几乎不开启， 电流 I 将几乎全部流过 i 所 对应的输出支路。因此， 输出的概率分布电流信号将接近于 I 和 0， 从而实现概率信号放大 的目的。 说 明 书 CN 103902250 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103902250 A 6 2/2 页 7 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103902250 A 7 。