集成电路中真随机数的产生方法 【技术领域】
本发明涉及一种数据采样生成方法，尤其涉及一种集成电路中真随机数的产生方法，属于核算装置技术领域。
背景技术
随着计算机技术、通信技术、网络技术的迅速发展，信息在存储、传送、接收和处理过程中的安全问题已受到人们的广泛关注。随机数在信息安全系统中扮演着重要的角色，在基于计算机或internet的通信和交易中有着广泛的应用。比如数据加密、密钥管理、公钥和私钥的产生、电子商务、数字签名、身份鉴定以及蒙特卡罗仿真等都要用到随机数。
同时，在信息安全系统的设计中，对随机数发生器性能有较高的要求，因此通常采用真随机数发生器，其随机性能的好坏直接决定了信息安全系统的安全性性能。只要在真随机数发生器的设计中存在缺陷，人们就可能利用这个缺陷对整个安全系统进行破解。
进一步来看，真随机数发生器(TRNG)是指利用物理方法实现的随机数发生器。它是自然界随机的物理过程(所产生物理现象的不确定性)的反映，即使算法等TRNG的所有信息都被暴露，都无法猜测其结果，即高质量的真随机数发生器产生的随机数永远不具备周期性。
但是，现有的集成电路中真随机数的产生方法过于复杂冗长，其涉及的设备模块也多，不利于快速安全实现。
【发明内容】
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种集成电路中真随机数的产生方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
集成电路中真随机数的产生方法，其包括以下步骤：步骤①通过采样电路，对数字电源信号及数字电源信所产生的噪声进行采样；
步骤②对采样到的噪声信号进行放大，得到随机数模拟数值；
步骤③对随机数模拟数值进行比较，获取两组64位总共128位的数据信号，存入移位寄存器当中。
步骤④将存入的两组数据信号分别记为第一随机序列和第二随机序列，把第一随机序列作为DES算法(Data Encryption Standard，即数据加密算法)中的明文，把第二随机序列当作DES算法中的密钥，进行DES算法，获取真随机数。
上述的集成电路中真随机数的产生方法，其中：所述的步骤①采用高增益高带宽的运算放大器进行采样。
进一步地，上述的集成电路中真随机数的产生方法，其中：步骤③所述的比较为通过集成电路时钟输出进行速度控制，把每一次输出的介于0或1的数据与移位寄存器的第一位数进行异或运算。
再进一步地，上述的集成电路中真随机数的产生方法，其中：在步骤①所述的采样过程中，通过滤波模块进行滤波。
本发明技术方案的突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：利用噪声所产生的随机物理信号，经过放大比较和异或运算，产生真正的随机数序列，在保正随机序列不可重复和均匀分布的基础上，再次用算法对随机序列进行算法运算，得到真正意义上的真随机数。本发明增加了随机数的可被预测的难度，运用在信息安全领域的集成电路设计当中，不仅安全性能高，且设计周期短，属于一种高性价比的设计方案。再者，本发明产生的随机数永远不具备周期性，且在(0，1)的区间上均匀分布，其所耗的设计资源也少。由此可见，本发明具有实质性技术特点和显著的技术进步，其应用前景非常广阔。
【附图说明】
图1是本发明实施过程示意图。
【具体实施方式】
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案地典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
噪声源取自于物理现象，就目前实际的电路设计或是集成电路设计本身，其处于复杂的电磁环境当中，周围中更是有许多电磁噪声进行不断的干扰。因此，集成电路内的电路不可避免的要受到噪声的干扰。并且，在任何的时间、任何环境下，通过对噪声的采样来产生真正的随机数是一种直接而有效的途径。
本发明是一种基于硬件源的真随机数的方法，采样电源的噪声和电路或集成电路本身的热噪声进行迭加，并对此物理信号进行处理，产生集成电路里面所需要的真随机数。
进一步来看，电源噪声属于电磁干扰中的一种，其噪声频谱范围一般是在10kHz到30MHz之间。在常见的设计应用当中，由于芯片的发热而引起的热噪声在电源信号上会产生迭加，以此来对数字电源信号进行采样。同时，数字电源在数字电路运行出现高速电平变化的时候，也会产生一个未知的电磁噪声干扰。
如图1所示，针对这些噪声，使用采样电路：用一个0.01UF到0.1UF左右的电容对电源噪声进行采样，即步骤S1。并且，把没有用的电源信号去掉，提取出我们所需要的噪声信号。然后再用一个高增益高带宽的运算放大器，对采样到的噪声信号进行放大即步骤S3。经过放大的噪声信号便是我们所需要的随机数的模拟值，把这个信号送入下一级进行步骤S4——比较。
具体来说如下：给比较级脉冲输入控制端输入时钟脉冲，在脉冲输入上升沿到来时，比较器输出有效数据位。在同步时钟的控制下，此有效数据位(0或1)与上一个时钟上升沿输出的有效数据位进行异或运算，并通过移位寄存器把数据保存。比较器有效数据位的输出和移位寄存器均由集成电路的输出由时钟进行控制。如此，当存入两组64位总共128位的数据信号时，即可完成步骤S5的信号存储。
再进一步来看，所述的异或运算是对产生真随机数的一次完善过程，众所周知，由于噪声信号的随机性和不稳定性，使得所提取的信号也有可能会出现极限信号即全0或全1的情况。尽管这种可能是很小的，可从产生真随机数的理论来说，只要是可能的情况都应该包括。所以，我们针对这种可能性极小的极限情况用额外运算来对它进行完善。这样，不但能使每次产生的真随机数的不可预测性增大，也使得真随机数的均匀分布特性进一步增强。
随即，在两组64位总共128位的数据信号存入后，把这两组数据信号分别记为第一随机序列和第二随机序列。如是，将第一随机序列当作DES算法中的明文，把第二随机序列当作DES算法当中的密钥，进行一次完整的DES运算，即步骤S6。经过此算法后，作为采用本方法的随机数发生器产生的随机数将会更加难以预测，且使得随机数的分布也会更加均匀，由此获得由物理信号所产生的随机数，即真随机数。
从上述文字表述并结合附图可以看出，本发明利用噪声所产生的随机物理信号，经过放大比较和异或运算，产生真正的随机数序列，在保正随机序列不可重复和均匀分布的基础上，再次用算法对随机序列进行算法运算，得到真随机数。本发明增加了随机数的可被预测的难度，运用在信息安全领域的集成电路设计当中，不仅安全性能高，且设计周期短，属于一种高性价比的设计方案。再者，本发明产生的随机数永远不具备周期性，且在(0，1)的区间上均匀分布，其所耗的设计资源也少，值得在本领域内推广应用。