Isıl gürültüye dayalı uyarlanabilir eşleşen gerçek rasgele sayı üreteci tasarımı
0 Önsöz
Elektronik teknolojinin ve iletişim teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, bilgi güvenliği için gereksinimler gittikçe artmakta ve gerçek rasgele sayı üreteci (TRNG), güvenlik sisteminin vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir. Sözde rasgele sayı üreteci (RNG) ile karşılaştırıldığında, TRNG'nin çıktı dizisi tahmin edilemez ve katı istatistiksel test gereksinimlerini karşılar.Bu nedenle, termal gürültü, nükleer bozulma ve kozmik radyasyon gibi fiziksel fenomenler genellikle entropi kaynağı olarak seçilir. En yaygın kullanılanı termal gürültüdür. Termal gürültü, iletkendeki taşıyıcıların termal titreşiminden kaynaklanır ve bu, kanal akımında küçük dalgalanmaların direnç boyunca bir voltaj oluşturmasına neden olur. TRNG devresinin termal gürültüye dayalı tasarım yöntemleri esas olarak üç yöntemi içerir: doğrudan termal gürültü amplifikasyonu, halka titreşimi ve titreşim örneklemesi ve yarı kararlı durum. Termal gürültü doğrudan amplifikasyon yöntemi, yüksek kazançlı ve yüksek bant genişliğine sahip diferansiyel işlemsel amplifikatör aracılığıyla büyük direnç üzerindeki termal gürültüyü doğrudan yükseltir ve ardından amplifiye edilmiş sinyal, bir karşılaştırıcı tarafından dijitalden analoğa dönüşümden sonra çıkarılır. Bununla birlikte, işlem güncellendiğinde, çıkış ofseti, substrat gürültü bağlantısı ve amplifikatörün sınırlı bant genişliği gibi ideal olmayan faktörler açıkça sistem çıktısının rasgeleliğini etkileyecektir; halka titreşimi örneklemesi, düşük frekans kullanarak termal gürültüyü faz değişimine dönüştürmektir. Sinyal rastgele çıktı için örneklenir. Bununla birlikte, faz seğirmesi genliği küçük olduğu için, rastgele bir çıktı oluşturmak için faz genliğini biriktirmek birden fazla döngü alır ve bu da aşırı derecede düşük devre verimiyle sonuçlanır; yarı kararlı durum ilk olarak iki kararlı devrenin yarı kararlı aralığa girmesine izin vermektir ve serbest bırakma anında Termal gürültü çıkış durumunu belirler. Avantajı, tamamen dijital bir tasarımı benimseyebilmesidir, ancak yarı kararlı çalışma aralığı küçük olduğundan, küçük bileşen ve yük uyuşmazlıkları, devrenin yarı kararlı çalışma aralığından sapmasına neden olacaktır. Devrenin yarı kararlı bir durumda çalışmasını sağlamak için, literatür negatif geri besleme düzenlemesini getirmektedir, ancak yük uyuşmazlığı dikkate alınmadığı için geri besleme düzenlemesi zordur ve geri besleme düzenlemesi başlangıçta tamamlandıktan sonra durum makinesi çalışmayı durdurur ve çevresel değişikliklere göre ayarlanamaz. İkincil ayar, uygulama aralığını azaltır. Bunun ışığında, bu makale, çıktı dizisinin rasgeleliğini etkili bir şekilde iyileştirmek ve simülasyon yoluyla doğrulamak için karşılık gelen tasarım şemalarını önermek için termal gürültü amplifikasyonunun ve yarı kararlı tasarım yöntemlerinin avantajlarını birleştirecektir.
TRNG çıktı dizisinin rasgeleliğinin anahtarı, termal gürültünün etkili bir şekilde yükseltilmesidir, bu nedenle önce termal gürültü modelini ve hassas amplifikatörün çalışma mekanizmasını analiz edin.
Termal gürültü, iletkendeki taşıyıcıların termal titreşiminden kaynaklanır, bu da kanal akımında küçük dalgalanmalara neden olur ve böylece direnç boyunca dalgalı voltajlar oluşturur. Frekans alanında, spektral yoğunluğu denklem (1) 'de gösterilmiştir:
Bunlar arasında, (t, t), her t'de güncellenen, Gauss olasılık dağılımına sahip rastgele bir sayıdır ve , gürültü sinyalinin genliğidir. Termal gürültü spektrumunun sabit bir sabit olduğu ve genliğinin ideal bir entropi kaynağı olan zaman alanında Gauss olduğu görülebilir. Bununla birlikte, küçük genlik nedeniyle (gerçek devrede yaklaşık 1,5 mV), küçük işlem sapmaları ve çevresel etkiler gürültünün etkisini maskeleyecektir.Bu nedenle, dijital devre tarafından tanınabilecek bir devreye hızlı bir şekilde yükseltmek için yüksek hassasiyetli ve iyi eşleşen bir amplifikatör gereklidir. Makul değer.
1.2 Hassas amplifikatör
Hassas amplifikatör, yüksek hassasiyet, hızlı çalışma hızı, basit yapı vb. Avantajlara sahiptir. Sıcak ve kuru sesi yükseltmek için ideal bir cihazdır. Temel devre yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir.
Saat sinyali CLK = 0 olduğunda, devre ön şarj aşamasına girer ve tamamlayıcı çıkış terminalleri Q ve QN yüksek bir seviyeye önceden şarj edilir; saat sinyali CLK = 1 olduğunda devre değerlendirme aşamasına girer ve değerlendirme ilkesi denklem (3) 'te gösterildiği gibidir. Göstermek:
Algılayıcı amplifikatörün çalışma akımı tamamen dengelenmişse, tamamlayıcı Q ve QN çıkışı sonunda değerlendirme aşamasında ara seviyede stabilize olacaktır. Gerçek devrede, termal gürültünün etkisi altında, I1 ve I2 büyüklükleri rastgele dalgalanacak ve böylece değerlendirme aşamasında rastgele çıktılar üretecektir.
2 Uyarlanabilir eşleme
Hassas amplifikatörün çalışma akımı dengesi, ideal rastgele diziyi elde etmenin anahtarıdır. Bununla birlikte, yük uyumsuzluğu ve süreç sapması gibi ideal olmayan faktörler, akımın boyutunu etkileyecek ve çıktı dizisinde bariz önyargıya neden olacaktır. Bu nedenle, hassas amplifikatörün çalışma sırasında uyarlamalı olarak eşleştirilmesi gerekir.
2.1 Yapılandırılabilir NMOS dizisi
Hassas amplifikatördeki her bir MOS tüpünün genişlik-uzunluk oranının proses sapması, Şekil 1'deki N3 ve N4 transistörlerinin sapmasına eşdeğer olabilir, bu da çalışma akımında bir dengesizliğe neden olur. İşlem sapmasını telafi etmek için, Şekil l'deki transistörler N3 ve N4, konfigüre edilebilir NMOS dizileri NF1 ve NF2 ile değiştirilebilir ve iç yapı, Şekil 2'de gösterilir.
Örnek olarak ncf0'ı alın. Ncf0 yüksek olduğunda, transistör anahtarı N1 açılır ve N2, N0 ile paralel bağlanır. NMOS dizisinin eşdeğer en boy oranı artacak şekilde yapılandırılabilir ve ilgili dal çalışma akımı artar; aksi takdirde akım azalır, dolayısıyla Sıralı rasgeleliğini iyileştirmek için süreç sapmalarını etkili bir şekilde telafi edin.
2.2 Dinamik kompanzasyon algoritması
Hassas amplifikatörün yapılandırılabilir NMOS dizisini çıkış dizisinin önyargısına göre sapmayı telafi edecek şekilde ayarlamasını sağlamak için dinamik bir telafi algoritması önerilir. Algoritma, tek aşamalı eşit mesafeli ayarı, düşük karmaşıklığı ve uygulaması kolay olanı benimser. Durum geçiş diyagramı Şekil 3'te gösterilmektedir.
Sonlu durum makinesinin iki modu vardır: dinamik yapılandırma ve dinamik izleme. TRNG, güç açıldıktan sonra başlatmanın ardından dinamik yapılandırma moduna girer. Dinamik konfigürasyon modunda, her 4 saat döngüsünde, durum makinesi TRNG'nin 4 bitlik veri çıkışını okur ve algılar. 4 bitlik verideki "1" sayısı "0" dan fazla ise bayrak = 1 olarak ayarlayın. Aksi takdirde, bayrak = 0 olarak ayarlayın. Durum makinesi, yapılandırılabilir NMOS dizilerini NF1 ve NF2 bayrağının değerine göre kendi kendine ekleme veya kendi kendine azaltma yapar. "1" ve "0" sayısı eşit olduğunda, çıkış "1100" veya "0011" ise, bayrak = 2 olarak ayarlayın ve yapılandırma durumu değişmeden kalır. Çıktı "1010" veya "0101" ise, TRNG'nin mevcut yapılandırma altında eşit olasılıkla "1" veya "0" çıktısı verebileceğine, termal gürültüden etkilenip, bayrak = 3 olarak ayarlandığına, yapılandırma tamamlandığına ve durum makinesinin dinamik izleme moduna gireceğine karar verilir. Dinamik izleme modunda, çıkış sekansında 12 ardışık "1" veya "0" tespit edilirse, çıkış sekansının rasgeleliği kaybettiği, bayrak = 4 olduğu ve durum makinesinin dinamik konfigürasyon moduna geri döndüğü belirlenir. Aksi takdirde, durum makinesi dinamik izleme modunda kalır ve yapılandırılabilir NMOS dizisinin yapılandırması değişmeden kalır.
2.3 TRNG devresinin genel yapısı
Uyarlanabilir olarak eşleştirilmiş TRNG'nin genel yapısı Şekil 4'te gösterilmektedir. Hassas amplifikatör, termal gürültünün etkisi altında her saat döngüsünde düşük seviyeli "0" veya yüksek seviyeli "1" rastgele çıktılar ve çıktı verileri kaydırma yazmacıda saklanır. Dinamik kompanzasyon modülü, devrenin yüksek entropi alanında çalışmasını sağlamak için yapılandırılabilir NMOS dizisini kaydırma yazmacındaki veri önyargısına göre ayarlar. Yük eşleştirme modülü, yük uyumsuzluğunun çıktı dizisinin rasgeleliği üzerindeki etkisini azaltmak için kullanılır.
3 Deneysel sonuçlar ve analiz
Tüm devre, analog devre ve Verilog modülünü birlikte simüle etmek için Cadence'in Verilog / Spectre hibrit simülatörünü kullanır. 1,2 V güç kaynağı voltajı altında, saat frekansını 1 GHz'e ayarlayın ve manuel olarak% 10'luk bir işlem sapması ekleyin, çıkış sırası Şekil 5'te gösterilmektedir. 0 s olduğunda çıkışın 1'e eğilimli olduğu görülebilir. Yaklaşık 0,4 s'lik dinamik bir konfigürasyondan sonra, TRNG çıkış dizisi rastgele olur ve dinamik izleme moduna girer. 1.5 s'de, işlem sapması tekrar tanıtılır ve çıktı dizisi 1'e eğilimlidir. TRNG dinamik konfigürasyon moduna yeniden girer ve dinamik konfigürasyonu yaklaşık 1.92 s'de tamamlar ve dinamik izleme moduna girer. Simülasyon sonuçları, devrenin uyarlamalı eşleştirme işlevini gerçekleştirdiğini ve işlem sapmasına karşı iyi bir dirence sahip olduğunu göstermektedir.
Simülasyonla elde edilen 100.000 bitlik orijinal sekans, yaklaşık 26.000 bitlik veri elde etmek için von Neumann tarafından sonradan işlenir, 10 gruba bölünür ve test için NIST test paketine girer. Test sonuçları Tablo 1'de gösterilmektedir. Test sonuçlarından tüm P değerlerinin nispeten yüksek bir seviyede olduğu ve rasgeleliğin mükemmel olduğu görülebilir.
Otokorelasyon özelliklerini test etmek için elde edilen diziyi MATLAB'a girin ve sonuç Şekil 6'da gösterilir. % 95 güven aralığında 2000 ardışık veri arasındaki otokorelasyonun yaklaşık sıfır olduğu şekilden görülebilmektedir.
Devrenin sağlamlığını doğrulamak için TRNG, 0,8 V ila 1,4 V, -40 , 40 ve 120 güç kaynağı voltajı altında simüle edildi ve çıkış dizisi test için NIST paketine gönderildi. Test sonucu Şekil 7'de gösterilmektedir. P değeri 0.1'den büyükse rastgele testten geçilir. TRNG'nin çeşitli sıcaklık ve voltajlarda iyi rastgeleliğe sahip olduğu ve güç kaynağı voltajının artmasıyla P değerinin yükselme eğilimi gösterdiği görülebilir.
4. Sonuç
Bu tasarım ilk olarak, yüksek kazançlı, yüksek bant genişliğine sahip bir diferansiyel operasyonel amplifikatörün yerini almak için hassas bir amplifikatör kullanır; bu, yalnızca op-amp tasarımının zorluğunu ortadan kaldırmakla kalmaz, aynı zamanda hassas amplifikatördeki çapraz bağlanmış pozitif geri bildirim yapısı aracılığıyla TRNG verim oranını iyileştirir. İkinci olarak, D flip-flopu, TRNG'nin çalışma aşaması sırasında yük dengelenmesi için hassas amplifikatörün diferansiyel çıkış ucundaki yük dengesizliğinin çıkış dizisinin rasgeleliği üzerindeki etkisini azaltmak için çıkış ucundaki yükü izole etmek için kullanılır. Son olarak, iki dinamik konfigürasyon ve dinamik izleme moduna sahip bir telafi algoritması önerilmiştir, böylece çalışma ortamı büyük ölçüde değiştiğinde TRNG uyarlanabilir bir şekilde ayarlanabilir, bu da çıktı dizisinin rasgeleliğini ve TRNG'nin kapsamını artırır. Tasarlanan TRNG devresi, TSMC 65 nm CMOS süreci ile uygulanmış, NIST paketi tarafından test edilmiş ve yüksek rasgeleliğe sahip olup, anahtar üretimi ve sinyal şifreleme alanlarında yaygın olarak kullanılabilir.
Referanslar
BHARGAVA M, SHEIKH K, MAI K. Sıcak taşıyıcı enjeksiyon dengeli yarı kararlı duyu amplifikatörleri kullanan sağlam gerçek rasgele sayı üreteci IEEE Uluslararası Donanım Odaklı Güvenlik ve Güven Sempozyumu. IEEE, 2015: 7-13.
WIECZOREK P Z. Bistabilitelerin çok fazlı zamanlamasına dayalı Hafif TRNG Devreler ve Sistemler Üzerine IEEE İşlemleri I Düzenli Makaleler, 2016, 63 (7): 1043-1054.
SRINIVASAN S, MATHEW S, ERRAGUNTLA V, ve diğerleri. 45 nm CMOS'ta 4 Gb / s 0,57 pJ / bit proses voltajı-sıcaklık değişimine toleranslı tüm dijital gerçek rasgele sayı üreteci. Uluslararası Vlsi Tasarım Konferansı.IEEE Bilgisayar Topluluğu, 2009: 301-306.
Jin Jie, Luo Min, Gong Yuehong Termal gürültüye dayalı gerçek bir rastgele sayı üretecinin tasarımı ve uygulaması Mikroelektronik ve Bilgisayar, 2015 (10): 7-11.
LIU Y, CHEUNG R C C, WONG H.A Önyargılı sınırlı dijital gerçek rasgele sayı üreteci mimarisi Devreler ve Sistemler IEEE İşlemleri I Düzenli Makaleler, 2017, 64 (1): 133-144.
MATHEW SK, SRINIVASAN S, ANDERS MA, et al. 45 nm CMOS yüksek performanslı mikroişlemciler için 2.4 Gbps, 7 mW tamamen dijital PVT varyasyonuna toleranslı gerçek rasgele sayı üreteci. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2012, 47 (11 ): 2807-2821.
SUNG J J, KANG G S, KIM S. Frekansa bağlı gürültü kaynakları için bir geçici gürültü modeli Entegre Devrelerin ve Sistemlerin Bilgisayar Destekli Tasarımında IEEE İşlemleri, 2003, 22 (8): 1097-1104.
RUKHIN A L, SOTO J, NECHVATAL J R, ve diğerleri SP 800-22 Rev. 1a. Kriptografik uygulamalar için rastgele ve sözde rasgele sayı üreteçleri için bir istatistiksel test paketi. Nist Özel Yayını, 2010.
yazar bilgileri:
Li Zhen1, Wang Pengjun1, Cheng Xu2, Li Gang1
(1. Devreler ve Sistemler Enstitüsü, Ningbo Üniversitesi, Ningbo 315211, Zhejiang; 2. Eyalet Anahtar Uygulamaya Özel Entegre Devreler ve Sistemler Laboratuvarı, Fudan Üniversitesi, Şangay 201203)
