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1、1,量子通信中高速并行真随机数产生器研究王鑫喆2014核电子学ASIC技术研讨会，2014.10.20，USTC,2,OUTLINES,真随机数产生器应用背景 高速并行真随机数产生器原型设计 高速并行真随机数产生器方案改进 高速并行真随机数产生器工作总结,3,随机数产生器应用背景,信息加密,博彩,统计分析,蒙卡模拟,4,量子通信中TRNG应用背景,量子密钥分发（QKD）系统采用BB84协议（见表1）,BB84协议中共有密钥生成比例低，单光子亦有损失，故QKD系统需要有足够高的数据率来保证成码率，这也就对TRNG的采样速率提出了较高要求。,5,商用芯片在速度上远远不能满足QKD系统的使用，且普遍
2、体积较大。Goal：设计更高速（最高数据率达1Gbps），更小体积的TRNG。,商用TRNG发展现状：ID Quantique公司QUANTIS芯片：4Mbps北京宏思电子WNG-8系列芯片：20Mbps,6,真随机数产生方案,常见的真随机数产生方案如下表：,实现方法：方案1 FPGAFPGA具有开发周期短、成本低的优势但FPGA的实际底层实现无法与预设方案一一对应，且设备相关性高方案2 ASICASIC开发周期长，成本更高但ASIC的实际底层实现与预设方案是一一对应的，能保证原理上的可靠性结论：电路实现采用ASIC芯片，可使用FPGA进行原理验证,基于高采样/输出频率的需求，以及结构的简单易
3、实现，我们选用的数字电路中的时钟抖动作为TRNG的物理熵源。,7,TRNG设计原理,低频时钟对高频时钟采样,图 1 真随机数理想模型采样原理示意,8,TRNG实现方案,图 2 基于环形振荡器的TRNG,图 3 基于环形振荡器的TRNG改进结构,9,TRNG原型验证,0.25m工艺，64路振荡环，单路输出，芯片面积为 520mx1200m，core voltage为2.5V，数据产生率可达1Gbps，平均功率0.8W,图 4 TRNG原型设计layout版图,10,原型方案数据分析,结论：环数越多，01比越稳定低频时01比更好方案可行，有待改进需引入后处理提高随机数质量,11,TRNG改进方案,
4、加入熵源配置电路物理熵源采用振荡环结构引入后处理结构多路并行输出,图 5 单路TRNG整体结构框图,12,0.13m工艺，3.3V/1.2V电源；输入时钟、输出数据采用差分信号LVDS；输入时钟由外部提供；数据为8/10对输出，提供2路冗余；封装QFN，管脚数待定，电源地分布待定，陶瓷封装。,TRNG芯片规格,13,10路并行输出，每路128路振荡环，可通过4线SPI配置使能控制起振振荡环数目，输出接后处理电路，加入bypass功能，允许输出原始数据。,图 6 TRNG电路结构框图,14,熵源配置电路,SPI部分layout预估面积为25mx4m,图 7 SPI使能配置电路原理图,15,图 8
5、 SPI使能配置电路时序仿真（1GHz）,图 8 SPI使能配置电路时序仿真（1GHz）,16,振荡环电路,图 9 ring oscillator原理图,128路振荡环由8路使能信号以二进制形式控制0128路振荡环参与输出。128路振荡环阵列（含dff和异或网络）layout预估面积为：0.12mmx0.1mm前仿功耗为26mW,17,后处理电路,我们计划在各路输出后面加入不同的后处理结构，比较各种后处理结构的性能。同时加入bypass功能，允许直接输出原始数据。后处理方案1：异或链结构,图 10 基于11级异或链的后处理电路原理图,18,后处理结果验证,表3 11级异或链后处理数据随机数检验
6、结果,由表3 可知，11级异或链结构处理后的数据满足随机数验证标准，该方案可行,19,其它后处理方案,方案2：反馈异或+PRBS结构,图 11 基于反馈异或+PRBS的后处理电路原理图,图 12 双PRBS stop&go后处理电路原理图,方案3：双PRBS stop&go结构,20,工作总结,工作进展：设计原型在经过后处理后输出数据可满足随机数验证；改进方案增加了单路环数，并添加了SPI使能配置实现振荡环工作环数的可配置，平衡TRNG数据质量和功耗；在电路中加入多种后处理结构，对后处理效果进行进一步比较验证；完成了熵源配置电路、振荡环阵列和后处理结构的设计和前仿真；现有TRNG设计方案采样速率可达1Gbps，单路TRNG面积预估为200mx200m，功耗预估为40mW，整体芯片面积为2.5mmx2.5mm。下一阶段工作：进一步完善后处理结构；完成版图设计和后仿真。,21,Thank you!,22,BACKUP,附图2 11级异或链后处理结构前仿真结果,附图1 基于振荡环抖动 ASIC 芯片后仿真结果(左)与实测结果(右)后仿真结果为不同振荡环数量在 1GHz 采样率下的随机输出实测结果为 64 个振荡环作用下在 1GHz 采样率下的随机数输出,23,BACKUP,附图3 SPI layout示意图,附图4 128路振荡环阵列 layout示意图,
