基于亚稳态叠加单元的高吞吐量真随机数发生器设计

来源：电子与信息学报杂志2024年第5期北京时间：

作者：倪天明, 俞俊勇, 彭青松, 聂牧

单位：1.安徽工程大学集成电路学院 芜湖 2410002.安徽省车载显示集成系统工程研究中心 芜湖 2410003.触控显示材料与器件安徽省联合共建学科重点实验室 芜湖 2410004.合肥工业大学微电子学院 合肥 230000

摘要：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。

关键词：真随机数发生器, 熵源叠加, 亚稳态, 吞吐量

基金资助：国家自然科学基金(62174001, 62274052, 61974001, 62311540021)，安徽省自然科学基金(2208085J02)，安徽省重点研发(202104b11020032)，安徽省高校优秀科研创新团队(2022AH010059)，安徽省教育厅杰出青年学者基金(2022AH020014)