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一種低功耗高噪聲源真隨機數(shù)設(shè)計

魏子魁 胡毅 金鑫 李振國 馮文楠 馮曦 唐曉柯

魏子魁, 胡毅, 金鑫, 李振國, 馮文楠, 馮曦, 唐曉柯. 一種低功耗高噪聲源真隨機數(shù)設(shè)計[J]. 電子與信息學報, 2020, 42(10): 2566-2572. doi: 10.11999/JEIT190719
引用本文: 魏子魁, 胡毅, 金鑫, 李振國, 馮文楠, 馮曦, 唐曉柯. 一種低功耗高噪聲源真隨機數(shù)設(shè)計[J]. 電子與信息學報, 2020, 42(10): 2566-2572. doi: 10.11999/JEIT190719
Zikui WEI, Yi HU, Xin JIN, Zhenguo LI, Wennan FENG, Xi FENG, Xiaoke TANG. A True Random Number Design of Low Power and High Noise Source[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(10): 2566-2572. doi: 10.11999/JEIT190719
Citation: Zikui WEI, Yi HU, Xin JIN, Zhenguo LI, Wennan FENG, Xi FENG, Xiaoke TANG. A True Random Number Design of Low Power and High Noise Source[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(10): 2566-2572. doi: 10.11999/JEIT190719

一種低功耗高噪聲源真隨機數(shù)設(shè)計

doi: 10.11999/JEIT190719 cstr: 32379.14.JEIT190719
基金項目: 國家核高基重大專項(2017ZX01030204)
詳細信息
    作者簡介:

    魏子魁:男,1989年生,工程師,研究方向為模擬集成電路設(shè)計和測試

    胡毅:男,1982年生,工程師,研究方向為模擬集成電路設(shè)計和芯片技術(shù)

    金鑫:女,1987年生,工程師,研究方向為模擬集成電路設(shè)計

    通訊作者:

    魏子魁 weizikui@sgitg.sgcc.com.cn

  • 中圖分類號: TN47

A True Random Number Design of Low Power and High Noise Source

Funds: The Core Electronic Devices, High-end Generic Chips and Basic Software Major Project (2017ZX01030204)
  • 摘要: 通過對一種低功耗高噪聲源真隨機數(shù)發(fā)生器(TRNG)的研究,設(shè)計了一種新型的低頻時鐘電路,可以把電阻熱噪聲放大100倍以上,從而減少低頻時鐘電路的帶寬和電阻值,使電路的面積和功耗減少,并且使低頻時鐘的jitter到達58.2 ns。電路采用SMIC 40 nm CMOS工藝設(shè)計,完成了流片和測試,真隨機數(shù)產(chǎn)生器輸出速度范圍為1.38~3.33 Mbit/s,電路整體功耗為0.11 mW,面積為0.00789 mm2。隨機數(shù)輸出滿足AIS31真隨機數(shù)熵源測試要求,并且通過了國密2安全測試。
  • 圖  1  真隨機數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)

    圖  2  低頻時鐘電路圖

    圖  3  帶噪聲的三角波

    圖  4  普通電壓放大器放大電阻噪聲原理圖

    圖  5  低頻時鐘輸出jitter

    圖  6  低頻時鐘jitter的正態(tài)分布情況

    圖  7  整體電路版圖

    表  1  兩種結(jié)構(gòu)下噪聲電阻值和功耗

    指標噪聲電阻值
    (Ω)
    信號增益A1(倍)信號增益A2(倍)噪聲帶寬(MHz)功耗(mW)
    跨阻放大器結(jié)構(gòu)64 k110010.081
    電壓放大器結(jié)構(gòu)2 M55800.220
    下載: 導出CSV

    表  2  低頻時鐘頻率仿真結(jié)果

    指標仿真結(jié)果
    MINTYPMAX
    輸出頻率(MHz)1.382.133.34
    Jitter(σ{Tcl})(ns)77.8958.240
    功耗(mW)0.0550.0810.110
    下載: 導出CSV

    表  3  高頻時鐘頻率仿真結(jié)果

    仿真HOSC頻率
    MINTYPMAX
    頻率(GHz)0.1860.250.313
    功耗(mW)0.0170.0240.035
    占空比(%)50.0950.2850.43
    下載: 導出CSV

    表  4  幾種不同TRNG 性能比較

    方法基本原理工藝(nm)功耗(mW)速度(Mbit/s)面積(mm2)S(mW·mm2·s/Mbit)
    文獻[15]相位抖動280.54230.03750.88
    文獻[8]相位抖動1300.040.10.0052
    文獻[10]熱噪聲280.38840.0252.43
    文獻[16]熱噪聲550.81100.01241
    本文熱噪聲400.1120.00790.44
    下載: 導出CSV
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  • 加載中
圖(7) / 表(4)
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  • 被引次數(shù): 0
出版歷程
  • 收稿日期:  2019-08-29
  • 修回日期:  2020-03-04
  • 網(wǎng)絡出版日期:  2020-03-31
  • 刊出日期:  2020-10-13

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