高速真随机数设计：基于热噪声振荡器的创新方法

"一种基于热噪声振荡器的高速真随机数设计" 本文介绍了一种创新的高速真随机数发生器，该发生器依赖于热噪声振荡器来产生高质量的随机数序列。设计的核心在于利用两个独立工作的振荡器：一个高频振荡器和一个低频振荡器。低频振荡器的噪声源来源于电阻的热噪声，这种噪声被用来驱动一个D触发器，采样高频振荡器的输出，从而生成随机数序列。 在密码学和信息安全领域，真随机数扮演着至关重要的角色，因为它们在密钥生成、身份验证和数字签名等方面都不可或缺。真随机数必须具备统计上的随机性，包括时间上的独立性和空间上的均匀性，同时要求不可重复性和不可预测性，以确保系统的安全性。 文章阐述了整体电路结构，其中包括两个振荡器：高频振荡器和低频振荡器。高频振荡器产生快速变化的信号，而低频振荡器带有足够的抖动，确保随机性。低频时钟的设计通过运放和电荷泵产生带有抖动的慢振荡器信号。运放输出的三角波信号叠加了热噪声，形成随机抖动，这种抖动在统计上符合正态分布，从而提供了随机数产生的基础。 在实际电路设计中，低频振荡器的抖动标准差需要在一个特定范围内，即高振荡器周期的10~20倍，以保持随机性，同时允许提高低频时钟的频率，从而提高随机数的输出速度。此外，电路采用了SMIC 28纳米CMOS工艺，实现了版图设计并成功流片，仿真结果显示，该真随机数发生器的输出吞吐率在1.8到12兆比特每秒（Mb/s）之间，且满足AIS31真随机数熵源的严格测试标准，整个电路的功耗仅为0.388毫瓦（mW），体现了高效能和低功耗的特点。 这种基于热噪声振荡器的高速真随机数发生器设计不仅提高了随机数生成的速度，而且降低了功耗，同时保证了随机数的质量，对于密码学和信息安全领域有着重要的实用价值。设计方法的优化和实验验证进一步证明了这种方法的可行性与有效性。