[发明专利]一种基于闪存产生满熵随机数的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于随机数产生技术领域，特别涉及一种基于闪存产生满熵随机数的方法和装置。

背景技术

随着网络的发展，对安全通信技术有了更高的要求，密码技术的重要性与日俱增。由于随机数是大多数密码技术的核心，因此特别需要能产生真随机数的装置，以此来产生真正不可预测的随机数。

大多数数学库中的伪随机数发生器虽能产生具有较好统计特性的伪随机数序列，但这些软件运行在具有确定性的计算机上，因此并不是真的不可预测。真随机性需要用到一些硬件装置，如二极管，放射性样品等，由于电子噪声或不可控变量的原因，它们的行为是真正不可预测的。

为产生真正不可预测的随机数，已有一些方法被提出来了，其中大多数是基于硬件的随机数发生器，并且需要专门的电路设计，它们可能具有非常好的速度与安全性能，但通常由于其昂贵的价格或缺少普遍可用性而不实用。

当前，闪存(即Flash存储芯片，包括Nand Flash和Nor Flash)作为一种非易失性(在断电情况下仍能保持所存储的信息)的存储器件，已经广泛地应用于各种消费类电子产品中。智能手机、数码相机等所使用的SD卡、TF卡，日常所用的U盘，以及逐渐普及的固态硬盘等都是以Nand Flash作为存储器件的数据存储装置。Nand Flash芯片采用浮栅结构的晶体管作为存储单元，如附图1所示，这类结构具有两个多晶硅栅极，其中一个有电气连接，称为控制栅，也就是一般意义上的栅极。另外一个没有外引线的栅极，被完全包裹在一层二氧化硅绝缘层(隧道氧化层)内，因为这个特殊的栅极是浮空的，所以称之为“浮置栅”。与隧道氧化层相连的是晶体管的源极，漏极以及硅衬底。浮栅晶体管的工作原理是利用浮置栅上根据是否储存有电荷或储存电荷的多少来改变晶体管的阈值电压，从而改变存储单元的外部特性。

如附图2所示，Nand Flash的若干个存储单元的晶体管的控制栅极通过“字线”连接，构成一页(Page)，相邻的多页构成一块(Block)。相邻晶体管的漏极和源极头尾相连，最高端的漏极接“位线”，最低端的源极与公共源极相连。通过位线相连的同一块上的相邻的两个存储单元属于不同的页。一个Nand Flash芯片中含有多个块(常见的有8192块或4096块等)，一个块包含多页(常见的为32页或者64页)，一页包含若干个字节(常见的为512Bytes或者2Kbytes)。

Nand Flash的编程和擦除操作，对Nand Flash的存储单元进行编程(充电)操作，即通过在对应晶体管的控制栅极施加一定电压，使得电子通过隧道氧化层进入浮置栅极，代表存储信息“0”。对Nand Flash的存储单元进行擦除(放电)操作，即通过将应晶体管的控制栅极接地，源极与漏极开路，使得电子从浮置栅极通过隧道氧化层进入硅衬底，代表存储信息“1”。

在对Nand Flash的存储单元不断进行编程和擦除(充电和放电)的操作过程中，在靠近硅衬底的隧道氧化层中，交替的捕获和释放电子，从而产生离散的电流变化，导致产生了在电子设备中常见的随机电子噪声(RTN，Random Telegraph Noise)。由于RTN的存在，使得捕获和释放电子的时间是随机的，即对Nand Flash的存储单元的充电和放电时间是随机的。

RTN的振幅与栅极的面积成反比(栅极面积越小，其振幅越大)，且与隧道氧化层的厚度有关。随着Nand Flash生产工艺的提高，其存储单元的单位面积逐渐减小，不同Nand Flash芯片生产工艺的差别，使得各存储单元的隧道氧化层厚度存在微小差异，导致RTN对Nand Flash存储单元的编程和擦除时间的影响增大且各异，即导致各存储单元的编程完成时所需的部分编程次数，擦除完成时所需的部分擦除次数是随机的。

由于属于不同的页的存储单元在物理结构上是相邻的，因此对1页的存储单元进行编程操作时，会对其相邻页的存储单元的晶体管的浮置栅极与源极之间的电压产生间接的影响，即产生间接的控制栅电压。对1页经过多次编程操作后，这种影响会导致其相邻页的存储单元的栅极与硅衬底之间的二氧化硅绝缘层存储电荷，并导致浮置栅中产生电荷，从而发生位翻转现象，即存储单元所存储的信息由逻辑“1”变为逻辑“0”。相邻页各个存储单元发生位翻转的时间与各自隧道氧化层的厚度有关，由于Nand Flash芯片生产工艺的差别，使得各存储单元的隧道氧化层厚度存在微小差异，导致各个存储单元发生位翻转的时间是随机的。