[发明专利]低功耗随机物理源及其设计方法

说明书

技术领域

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

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。 

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。 

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

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理源及其设计方法。 

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。 

一种低功耗随机物理源的设计方法，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。 

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，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

图1是本发明低功耗随机物理源的结构示意图； 

图2是概率电路软异或门电路结构示意图； 

图3是概率电路软非门电路结构示意图； 

图4是概率信号放大单元电路示意图。 

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。