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A high-speed true random number generator based on Ag/SiNx/n-Si memristor
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作者 Xiaobing Yan Zixuan Zhang +12 位作者 Zhiyuan Guan Ziliang Fang Yinxing Zhang Jianhui Zhao Jiameng Sun Xu Han Jiangzhen Niu Lulu Wang Xiaotong Jia Yiduo Shao Zhen Zhao Zhenqiang Guo Bing Bai 《Frontiers of physics》 SCIE CSCD 2024年第1期241-250,共10页
The intrinsic variability of memristor switching behavior can be used as a natural source of randomness,this variability is valuable for safe applications in hardware,such as the true random number generator(TRNG).How... The intrinsic variability of memristor switching behavior can be used as a natural source of randomness,this variability is valuable for safe applications in hardware,such as the true random number generator(TRNG).However,the speed of TRNG is still be further improved.Here,we propose a reliable Ag/SiNx/n-Si volatile memristor,which exhibits a typical threshold switching device with stable repeat ability and fast switching speed.This volatile-memristor-based TRNG is combined with nonlinear feedback shift register(NFSR)to form a new type of high-speed dual output TRNG.Interestingly,the bit generation rate reaches a high speed of 112 kb/s.In addition,this new TRNG passed all 15 National Institute of Standards and Technology(NIST)randomness tests without post-processing steps,proving its performance as a hardware security application.This work shows that the SiNx-based volatile memristor can realize TRNG and has great potential in hardware network security. 展开更多
关键词 volatile memristor true random number generator(trng) delay time threshold switching device
原文传递
基于亚稳态叠加单元的高吞吐量真随机数发生器设计
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作者 倪天明 俞俊勇 +1 位作者 彭青松 聂牧 《电子与信息学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期2289-2297,共9页
真随机数发生器(TRNG)作为一类重要的硬件安全原语,在密钥生成、初始化向量和协议中的身份认证等加密领域得到应用。为设计出高吞吐量的轻量级TRNG,该文研究了利用多路选择器(MUX)和异或门(XOR gate)的开关特性来产生亚稳态的方法,提出... 真随机数发生器(TRNG)作为一类重要的硬件安全原语,在密钥生成、初始化向量和协议中的身份认证等加密领域得到应用。为设计出高吞吐量的轻量级TRNG,该文研究了利用多路选择器(MUX)和异或门(XOR gate)的开关特性来产生亚稳态的方法,提出一种基于亚稳态叠加单元(MS-cell)的TRNG(MS-TRNG)设计。它将MUX和异或门触发的亚稳态进行叠加,从而提高TRNG的熵。所提TRNG分别在Xilinx Virtex-7和Xilinx Artix-7 FPGA开发板中实现,无需后处理电路。与其他先进的TRNG相比,所提TRNG具有最高的吞吐量和极低的硬件开销,并且它所生成的随机序列通过了NIST测试和一系列性能测试。 展开更多
关键词 真随机数发生器 熵源叠加 亚稳态 吞吐量
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基于28 nm RRAM的可重构真随机数发生器
3
作者 宋长坤 郑彩萍 陈铖颖 《浙江大学学报(工学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第7期1516-1523,共8页
基于阻变存储器(RRAM)电流饥饿型环形振荡器的真随机数发生器(TRNG)方案,提出交替读写的操作模式,优化熵源重构机制.针对现有RRAM在多操作周期下跨导线性化问题,提出熵可配置电阻窗口钳位电路.通过减小电阻窗口获得RRAM非线性的最大化,... 基于阻变存储器(RRAM)电流饥饿型环形振荡器的真随机数发生器(TRNG)方案,提出交替读写的操作模式,优化熵源重构机制.针对现有RRAM在多操作周期下跨导线性化问题,提出熵可配置电阻窗口钳位电路.通过减小电阻窗口获得RRAM非线性的最大化,所提电路能够有效避免RRAM出现过度置位、过度复位的现象,保证熵源稳定性.基于UMC 28 nm HKMG工艺对TRNG进行流片.输出数据统计性测试结果通过了NIST SP800-22所有测试集的真随机数标准测试.检测结果表明,在高斯分布的95%置信区间,所有统计数据的自相关函数值均落在-0.003~0.003,输出序列具有良好的随机性. 展开更多
关键词 阻变存储器(RRAM) 真随机数发生器(trng) 熵源 电流饥饿型环形振荡器 跨导线性
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基于碳基500nm工艺的双采样真随机数发生器
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作者 蔡铭嫣 张九龄 +3 位作者 陈智峰 廖文丽 陈译 陈铖颖 《半导体技术》 CAS 北大核心 2024年第8期732-741,757,共11页
碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)因其极小的尺寸、超高的载流子迁移率、准一维结构的弹道输运等特性,顺应了未来集成电路高集成化和微型化的发展趋势。基于课题组构建的500 nm碳基工艺设计包,设计了一款真随机数发生器(TRNG)。碳基真随机... 碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)因其极小的尺寸、超高的载流子迁移率、准一维结构的弹道输运等特性,顺应了未来集成电路高集成化和微型化的发展趋势。基于课题组构建的500 nm碳基工艺设计包,设计了一款真随机数发生器(TRNG)。碳基真随机数发生器利用慢时钟振荡器对快时钟振荡器进行采样获取随机源,通过在慢时钟振荡器中添加电阻热噪声以增加环形振荡器的相位抖动,经单比特频数测试、重叠子序列检测等随机性测试,证实本设计提高了熵源的非相关性与不可预测性。碳基真随机数发生器的最高工作频率达到7.04 MHz,功耗为1.98 mW,版图面积为2.3 mm×1.5 mm。输出序列通过了随机性检验,适用于现代密码系统的纳米级芯片。 展开更多
关键词 碳纳米管场效应晶体管(CNTFET) 紧凑模型 真随机数发生器(trng) 振荡器 时钟抖动
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Construction and Optimization of TRNG Based Substitution Boxes for Block Encryption Algorithms
5
作者 Muhammad Fahad Khan Khalid Saleem +4 位作者 Mohammed Alotaibi Mohammad Mazyad Hazzazi Eid Rehman Aaqif Afzaal Abbasi Muhammad Asif Gondal 《Computers, Materials & Continua》 SCIE EI 2022年第11期2679-2696,共18页
Internet of Things is an ecosystem of interconnected devices that are accessible through the internet.The recent research focuses on adding more smartness and intelligence to these edge devices.This makes them suscept... Internet of Things is an ecosystem of interconnected devices that are accessible through the internet.The recent research focuses on adding more smartness and intelligence to these edge devices.This makes them susceptible to various kinds of security threats.These edge devices rely on cryptographic techniques to encrypt the pre-processed data collected from the sensors deployed in the field.In this regard,block cipher has been one of the most reliable options through which data security is accomplished.The strength of block encryption algorithms against different attacks is dependent on its nonlinear primitive which is called Substitution Boxes.For the design of S-boxes mainly algebraic and chaos-based techniques are used but researchers also found various weaknesses in these techniques.On the other side,literature endorse the true random numbers for information security due to the reason that,true random numbers are purely non-deterministic.In this paper firstly a natural dynamical phenomenon is utilized for the generation of true random numbers based S-boxes.Secondly,a systematic literature review was conducted to know which metaheuristic optimization technique is highly adopted in the current decade for the optimization of S-boxes.Based on the outcome of Systematic Literature Review(SLR),genetic algorithm is chosen for the optimization of s-boxes.The results of our method validate that the proposed dynamic S-boxes are effective for the block ciphers.Moreover,our results showed that the proposed substitution boxes achieve better cryptographic strength as compared with state-of-the-art techniques. 展开更多
关键词 IoT security sensors data encryption substitution box generation True random number generators(trng) heuristic optimization genetic algorithm
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利用细粒度采样的低开销双输出异或门真随机数发生器研究
6
作者 姚亮 黄正峰 +1 位作者 梁华国 鲁迎春 《电子与信息学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第9期3295-3301,共7页
真随机数生成器(TRNG)是安全应用中的关键构建模块,能够为数据加密、随机数和初始化向量提供高质量的随机位。环形振荡器(RO)TRNG是一种广泛的应用设计,以支持各种与安全相关的应用。但是,在FPGA中实现RO TRNG时通常会产生很高的硬件开... 真随机数生成器(TRNG)是安全应用中的关键构建模块,能够为数据加密、随机数和初始化向量提供高质量的随机位。环形振荡器(RO)TRNG是一种广泛的应用设计,以支持各种与安全相关的应用。但是,在FPGA中实现RO TRNG时通常会产生很高的硬件开销。因此,一种基于双输出异或门单元的低开销RO TRNG在该文中被提出,仅使用单个可配置逻辑块即可构建TRNG的熵源。通过多相位细粒度采样机制,将电路抖动有效地采集捕捉到。所提RO TRNG在AMD Xilinx Viretx-6和Artix-7两款FPGA上进行实现与验证,实验结果表明,所提RO TRNG硬件开销低,能够产生质量满意的随机序列。 展开更多
关键词 真随机数发生器 细粒度采样 低面积开销
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真随机数发生器的系统建模与仿真 被引量:10
7
作者 辛茜 曾晓洋 +1 位作者 张国权 郭亚炜 《系统仿真学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第1期53-56,共4页
以真随机数发生器的设计为研究对象,提出了一种基于电阻热噪声的高速真随机数发生器系统的行为级模型,采样频率可达到4MHz,并且给出了构建各个关键子模块应该特别注意的因素,最后用Matlab软件对系统级模型进行了行为级仿真,扫描仿真了... 以真随机数发生器的设计为研究对象,提出了一种基于电阻热噪声的高速真随机数发生器系统的行为级模型,采样频率可达到4MHz,并且给出了构建各个关键子模块应该特别注意的因素,最后用Matlab软件对系统级模型进行了行为级仿真,扫描仿真了各关键设计参数。提出的行为级模型以及模型仿真结果对于真随机数发生器的电路级设计与参数选择具有直接的指导意义。 展开更多
关键词 真随机数发生器 白噪声 自相关性 行为级模型
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基于电阻热噪声的真随机数发生器设计 被引量:13
8
作者 辛茜 曾晓洋 +1 位作者 张国权 郭亚炜 《微电子学与计算机》 CSCD 北大核心 2004年第7期143-146,共4页
本文分析和设计了一种基于电阻热噪声的真随机数发生器,系统内部集成了失调控制系统,用以提高随机性能,系统时钟达到4MHz,并采用Chartered-0.35滋m-3.3V的工艺模型进行了HSPICE仿真。输出速率可以达到2Mb/s。
关键词 真随机数发生器 白噪声 失调控制
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基于压控振荡器的真随机数发生器设计 被引量:9
9
作者 汪鹏君 李桢 +2 位作者 李刚 程旭 张会红 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第2期417-421,共5页
通过对频率抖动机理的研究,提出一种基于压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)的真随机数发生器(True Random Number Generator,TRNG)设计方案.该方案将电阻热噪声放大后作为VCO的控制信号使其振荡频率在中心频率附近随机抖动... 通过对频率抖动机理的研究,提出一种基于压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)的真随机数发生器(True Random Number Generator,TRNG)设计方案.该方案将电阻热噪声放大后作为VCO的控制信号使其振荡频率在中心频率附近随机抖动. VCO所产生的慢振荡信号对周期固定的快振荡信号采样生成原始随机序列,然后利用后处理电路提高序列均匀性并消除自相关性.通过热噪声发生器调节VCO的中心频率可实现序列比特率和随机性之间的权衡.所提电路采用SMIC 55nm CMOS工艺设计,芯片面积0. 0124mm2,比特率10Mbps,平均功率0. 81mW.输出的随机序列通过NIST SP 800-22测试. 展开更多
关键词 真随机数发生器 热噪声 压控振荡器 权衡
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一种基于混沌原理的真随机数发生器 被引量:5
10
作者 王欣 周童 +1 位作者 王永生 喻明艳 《微电子学与计算机》 CSCD 北大核心 2009年第2期135-139,共5页
选取一维分段线性混沌映射函数设计真随机数发生器的随机源,具体分析了函数中各参数对输出序列随机性和电路稳定性的影响.通过改进函数在混沌吸引盆外的映射关系,成功解决了真随机源电路在各种噪声干扰和器件失配影响下所可能存在的失... 选取一维分段线性混沌映射函数设计真随机数发生器的随机源,具体分析了函数中各参数对输出序列随机性和电路稳定性的影响.通过改进函数在混沌吸引盆外的映射关系,成功解决了真随机源电路在各种噪声干扰和器件失配影响下所可能存在的失效问题,显著提高了电路的稳定性.该混沌函数以电压作为迭代变量,电路采用了负反馈形式的运放、采样保持电路和逻辑判断电路等模块,并运用了电荷再分配技术.以该随机源构成的真随机数发生器不但具有理想的随机性,在1Mbit/s的输出速率下,平均功耗不超过0.3mW,可广泛应用在SoC等嵌入式环境中. 展开更多
关键词 真随机数发生器 混沌映射 运放
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故障扰动下振荡环型真随机数发生器安全特性及度量方法研究 被引量:4
11
作者 罗芳 欧庆于 +2 位作者 周学广 褚潍禹 高飞 《电子与信息学报》 EI CSCD 北大核心 2022年第6期2093-2100,共8页
作为密码安全性的根源,在各类密码体制和系统中,真随机数起着不可替代的重要作用。现实中,真随机数往往基于随机物理过程实现,从而使其可能遭受环境引入或攻击者恶意施加的影响,造成随机数生成质量的下降,进而对密码应用安全性产生威胁... 作为密码安全性的根源,在各类密码体制和系统中,真随机数起着不可替代的重要作用。现实中,真随机数往往基于随机物理过程实现,从而使其可能遭受环境引入或攻击者恶意施加的影响,造成随机数生成质量的下降,进而对密码应用安全性产生威胁。该文以当前广泛应用的基于振荡环的真随机数发生器(RO-TRNG)为对象,对故障注入场景下,熵源和熵抽取部分受到的影响及由此造成的安全性变异进行了深入分析和研究,并基于捕获偏置度提出了能够充分反映故障扰动场景下RO-TRNG安全特性的度量模型。实验表明,该度量模型能够很好地反映在遭受故障扰动时,RO-TRNG在抖动方差累积和节拍延迟链上升沿捕获概率偏置等方面受到的影响,并对RO-TRNG在高危复杂环境下的安全性实施客观分析。 展开更多
关键词 振荡环 真随机数发生器 故障扰动 影响分析 安全性度量
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应用于网络安全协处理器的真随机数产生器 被引量:4
12
作者 张晓峰 白国强 陈弘毅 《计算机工程》 CAS CSCD 北大核心 2009年第10期229-231,共3页
介绍一款基于环形振荡器的真随机数产生器。电路使用固定频率时钟采样可控频率振荡器的输出,使用级间反馈随机改变可控频率振荡器的振荡频率。设计启动电路来保证环形振荡器快速起振,在使能信号无效时断开振荡电路以节省功耗。电路采用C... 介绍一款基于环形振荡器的真随机数产生器。电路使用固定频率时钟采样可控频率振荡器的输出,使用级间反馈随机改变可控频率振荡器的振荡频率。设计启动电路来保证环形振荡器快速起振,在使能信号无效时断开振荡电路以节省功耗。电路采用CMOS0.18μm标准工艺实现,使用Hspice_RF仿真环形振荡电路的相位抖动以获得最优设计参数。仿真结果表明,电路在输出速率为1Gb/s时产生的随机序列具有良好的随机性,该设计可用于网络安全协处理器中。 展开更多
关键词 网络安全协处理器 真随机数产生器 环形振荡器 启动电路
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一种高速低功耗真随机数发生器 被引量:2
13
作者 喻祖华 白创 戴葵 《微电子学与计算机》 CSCD 北大核心 2014年第8期61-66,71,共7页
提出了一种基于环形振荡器采样结构的高速低功耗真随机数发生器(TRNG).其随机性源自环形振荡器的抖动,4个长度互为质数的振荡器链构成了熵源.对振荡器的输出进行异或运算,提高了随机特性,并从数学上予以证明.输出序列经冯诺依曼矫正器... 提出了一种基于环形振荡器采样结构的高速低功耗真随机数发生器(TRNG).其随机性源自环形振荡器的抖动,4个长度互为质数的振荡器链构成了熵源.对振荡器的输出进行异或运算,提高了随机特性,并从数学上予以证明.输出序列经冯诺依曼矫正器进行纠偏,可完全消除比特位间的偏置性.设计了一种精巧的扩散函数,对输出序列做映射处理,进一步提高了其随机特性和分布特性.测试结果表明,TRNG输出比特流通过了Diehard和NIST SP 800-22的系列测试,比特率达20Mb/s.采用0.18μm CMOS工艺设计实现,面积为0.0135mm2,3.3V供电时功耗仅为0.75mW,适合在高速片上加密系统中应用. 展开更多
关键词 真随机数发生器 环形振荡器 异或 冯诺依曼矫正 扩散函数
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一种基于流水型ADC的高速真随机数发生器 被引量:1
14
作者 张勇 王永生 +1 位作者 周童 来逢昌 《微电子学与计算机》 CSCD 北大核心 2010年第3期87-92,共6页
1.5位每级流水型ADC子单元的传输函数满足混沌映射的特性,通过将子单元的两个数字输出进行异或,改变产生序列的分布特性,即可用来产生独立且均匀分布的随机数.根据这个原理设计实现了一种高速真随机数发生器,并引入了一种新型的高速低... 1.5位每级流水型ADC子单元的传输函数满足混沌映射的特性,通过将子单元的两个数字输出进行异或,改变产生序列的分布特性,即可用来产生独立且均匀分布的随机数.根据这个原理设计实现了一种高速真随机数发生器,并引入了一种新型的高速低功耗预放大锁存比较器.仿真结果表明,在未加任何后处理电路修正的情况下,生成的随机序列即可通过NIST标准随机性检测,输出比特率可达200Mb/s. 展开更多
关键词 真随机数发生器 混沌映射 流水型ADC
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基于量子元胞自动机的真随机数发生器设计 被引量:1
15
作者 秦亚辰 解光军 《合肥工业大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2022年第2期208-212,281,共6页
量子元胞自动机(quantum-dot cellular automata,QCA)是一种典型的纳米器件,有望成为VLSI设计中CMOS晶体管的替代者。文章基于QCA的内禀属性,以QCA交叉耦合结构为理论依据,设计一种真随机数发生器(true random number generator,TRNG),... 量子元胞自动机(quantum-dot cellular automata,QCA)是一种典型的纳米器件,有望成为VLSI设计中CMOS晶体管的替代者。文章基于QCA的内禀属性,以QCA交叉耦合结构为理论依据,设计一种真随机数发生器(true random number generator,TRNG),从基础单元的设计和仿真到最终实现位拓展的功能,全程都基于QCA-Designer软件平台加以实现。与之前类似的研究成果相比,该文所设计的电路结构大大降低了延迟、功耗和元胞面积,具有一定的优势。最终收集的仿真结果要经过行业标准测试,由美国国家标准技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)提供评估标准,证明了产生的随机序列具有优良的随机性。 展开更多
关键词 量子元胞自动机(QCA) 内禀属性 交叉耦合结构 真随机数发生器(trng) 评估标准 随机性
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一种低功耗高噪声源真随机数设计 被引量:5
16
作者 魏子魁 胡毅 +4 位作者 金鑫 李振国 冯文楠 冯曦 唐晓柯 《电子与信息学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第10期2566-2572,共7页
通过对一种低功耗高噪声源真随机数发生器(TRNG)的研究,设计了一种新型的低频时钟电路,可以把电阻热噪声放大100倍以上,从而减少低频时钟电路的带宽和电阻值,使电路的面积和功耗减少,并且使低频时钟的jitter到达58.2 ns。电路采用SMIC 4... 通过对一种低功耗高噪声源真随机数发生器(TRNG)的研究,设计了一种新型的低频时钟电路,可以把电阻热噪声放大100倍以上,从而减少低频时钟电路的带宽和电阻值,使电路的面积和功耗减少,并且使低频时钟的jitter到达58.2 ns。电路采用SMIC 40 nm CMOS工艺设计,完成了流片和测试,真随机数产生器输出速度范围为1.38~3.33 Mbit/s,电路整体功耗为0.11 mW,面积为0.00789 mm2。随机数输出满足AIS31真随机数熵源测试要求,并且通过了国密2安全测试。 展开更多
关键词 真随机数产生器 电阻热噪声 低频时钟jitter 低功耗
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基于多相位自定时振荡环的真随机数发生器
17
作者 陈杨兵 吴帆 蒋剑飞 《传感器与微系统》 CSCD 北大核心 2022年第6期61-64,69,共5页
针对传统的真随机数发生器(TRNG)的频率随级数线性减小,对工作环境、电压和工艺变化非常敏感,鲁棒性不强等问题,提出一种新型的真随机数发生器结构,通过使用多相位自定时振荡环作为熵源,重新设计熵源采样电路以配合熵源结构,实现高采样... 针对传统的真随机数发生器(TRNG)的频率随级数线性减小,对工作环境、电压和工艺变化非常敏感,鲁棒性不强等问题,提出一种新型的真随机数发生器结构,通过使用多相位自定时振荡环作为熵源,重新设计熵源采样电路以配合熵源结构,实现高采样输出的要求。本文提出的真随机数发生器运行在Xilinx KCU116平台上拥有高达250 Mbps的产生速率,消耗资源低至32 slice。通过对产生数据进行了统计检验分析,其统计结果以高P值通过了美国国家标准与技术研究院(NIST)测试套件的检测。 展开更多
关键词 真随机数发生器 高吞吐率 自定时环 边缘采样 多相位
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一种基于热噪声振荡器的高速真随机数设计 被引量:2
18
作者 魏子魁 符令 +7 位作者 王雪 何洋 金鑫 谭浪 胡毅 唐晓柯 张海峰 赵东艳 《电子技术应用》 2018年第10期29-31,36,共4页
分析和设计了一种基于振荡器的真随机数发生器,电阻热噪声作低频时钟的噪声源。利用两个独立工作的高、低频振荡器之间的相对关系采样噪声源,用带有抖动的低频振荡器通过D触发器采样有固定周期的高频振荡器,产生随机数序列。电路采用SMI... 分析和设计了一种基于振荡器的真随机数发生器,电阻热噪声作低频时钟的噪声源。利用两个独立工作的高、低频振荡器之间的相对关系采样噪声源,用带有抖动的低频振荡器通过D触发器采样有固定周期的高频振荡器,产生随机数序列。电路采用SMIC 28 nm CMOS工艺设计,完成了版图设计和流片,仿真结果表明,基于热噪声的真随机数产生器输出吞吐率范围为1.8~12 Mb/s,随机数输出满足AIS31真随机数熵源测试要求,电路整体功耗为0.388 mW。 展开更多
关键词 真随机数产生器 热噪声 振荡器 随机抖动 功耗
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基于振荡器的真随机数发生器的研究 被引量:5
19
作者 欧海文 赵静 +2 位作者 于慧红 胡晓波 李起瑞 《通信技术》 2011年第12期153-155,158,共4页
以基于振荡器的真随机数发生器为研究对象,理论分析了影响随机数发生器输出随机性的关键因素。对影响随机性的因素给出不同的参数选取,并使用Matlab软件对各种条件下输出序列的0/1概率差进行了计算,分别验证了采样时刻、高频占空比等因... 以基于振荡器的真随机数发生器为研究对象,理论分析了影响随机数发生器输出随机性的关键因素。对影响随机性的因素给出不同的参数选取,并使用Matlab软件对各种条件下输出序列的0/1概率差进行了计算,分别验证了采样时刻、高频占空比等因素对真随机数发生器输出的影响,给出了能够提高基于振荡器采样的真随机数发生器随机性的具体方法。所得的结论对设计一个具体的基于振荡器的真随机数发生器具有明确的指导意义。 展开更多
关键词 真随机数发生器 随机性 采样时刻 占空比 振荡器
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