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摘要

物理真随机数发生器对密码学和保密通信至关重要. 现有随机数发生器, 或者复杂庞大, 或者受限于器件带宽, 不能很好地满足现代高速通信系统的需要. 本文提出了一种基于超晶格(superlattices, SLs)芯片的全固态实时高速物理真随机数发生器. 通过选取合适直流偏置电压对SLs芯片进行激发, 从而产生高频混沌振荡信号作为物理熵源, 利用采样频率为2 GHz的多位模数转换器(analog-to-digital converter, ADC)进行量化, 生成12位的二进制随机比特, 然后使用现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array, FPGA)抽取最低4位为有效位并进行比特反转以改善其随机性, 最终获得了实时速率为8 Gbit/s的随机数. 经验证, 该发生器产生的随机数通过了随机数行业标准(NIST SP 800-22)的测试, 具备优良的统计特性, 有望小型化集成到高速通信设备之上.

关键词:

Abstract

Secret key is required in secure communications, and random numbers are generally used as keys to encrypt the original information. So it is crucial for cryptography and secure communication to generate the physical random number, which is completely safer than pseudo random number. However, Existing physical random number generator systems are difficult to satisfy the requirements of high-speed communication due to their complexity, large size, and limited equipment bandwidth. The GaAs/Al _0.45Ga _0.55superlattices is based on a structure formed by the alternating growth of two semiconductor materials, and has a good low-dimensional structure for studying the nonlinear behavior of electrons. Recent studies have shown that the GaAs/Al _0.45Ga _0.55superlattices under the DC voltage could appear chaos current oscillation states in some certain voltage ranges. An all-solid-state real-time high-speed physical true random number generator based on superlattices is presented. The superlattices, excited by appropriate DC bias voltage, could generate a high-frequency chaotic oscillation signal as a source of physical entropy. A multi-bit analog-to-digital converter with 2 GHz sampling frequency is used for quantization to generate 12-bit binary random bits. Then, the field programmable gate array extracts the lowest 4 bits as valid bits and inverts bits to improve its randomness, and finally a true random number with a real-time rate of 8 Gbit/s is obtained. To obtained a superlattices signal with a higher degree of chaos, the Lyapunov exponent was used to assist in selecting a more suitable DC bias. The random number generated by the superlattices, owning excellent statistical characteristics, could pass the test of the random number industry standard (NIST SP 800-22), which is expected to be miniaturized and integrated on high-speed communication equipment.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:杨东东,yd_xian@163.com

基金项目:国家级-高精度激光雷达传感器芯片关键技术研究(No.61834004)

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Yang Dong-Dong,yd_xian@163.com

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施引文献

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统计测试	P值	通过百分比	结果
频率测试	0.514124	0.995	通过
块内频率测试	0.966244	0.990	通过
累加和测试	0.981609	0.993	通过
游程测试	0.782040	0.993	通过
块内长游程测试	0.657933	0.996	通过
二进制矩阵秩测试	0.379555	0.992	通过
离散傅里叶变换测试	0.196920	0.985	通过
非重叠模块匹配测试	0.938463	0.988	通过
重叠块比配测试	0.224821	0.987	通过
全局通用统计测试	0.513309	0.989	通过
近似熵测试	0.955835	0.998	通过
随机游动测试	0.637119	0.985	通过
随机游动变量测试	0.324180	0.986	通过
串行测试	0.637119	0.982	通过
线性复杂度测试	0.414525	0.995	通过

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