1、量子通信中高速并行 真随机数发生器设计核探测与核电子学国家重点实验室核探测与核电子学国家重点实验室中国科学技术大学近代物理系中国科学技术大学近代物理系报告人：王鑫喆报告人：王鑫喆内容摘要内容摘要背景介绍设计原理设计方案仿真与流片总结与展望背景介绍背景介绍随机数的应用随机数的应用随机数广泛应用于信息安全、模拟分析、博彩娱乐等领域随机数分类：伪随机数：通过一定的算法计算得到，只在一定周期内具有随机性真随机数：通过随机的物理过程得到，具有不确定性和不可预测性通常情况下，伪随机数即能满足大多数应用需求，但在量子通信中为了保证通信的安全性，需要使用大量真随机数序列背景介绍背景介绍量子通信对于随机数量子通
2、信对于随机数的应用需求的应用需求量子通信中量子密钥分发（QKD)系统采用BB84协议由于受通信协议和收发硬件条件限制，需要高数据率的真随机数发生器保证成码率，同时要求发生器体积足够小以保证系统集成度。背景介绍背景介绍量子通信对于随机数量子通信对于随机数的应用要求的应用要求商用TRNG芯片现状：ID Quantique公司QUANTIS芯片：4Mbps北京宏思电子WNG-5系列芯片：2Mbps商用芯片无法满足QKD系统百兆量级的数据率要求设计目标：利用专用集成电路技术设计一款高数据率（设计目标：利用专用集成电路技术设计一款高数据率（200Mbps200Mbps以上）、以上）、高集成度的真随机数发
3、生器芯片高集成度的真随机数发生器芯片设计原理设计原理常见的真随机数发生器原理有：噪声放大、亚稳态、混沌电路、数字电路中的时钟抖动等基于高数据率和结构简单的需求，我们选择数字电路中的时钟抖动作为物理熵源，即：使用低频时钟对高频时钟进行采样。设计原理设计原理熵源电路的改进熵源电路的改进 熵源电路原始方案：熵源电路改进方案：综合考虑性能要求和芯片面积，确定单路真随机数输出的熵源由256路振荡环组成，经dff+xor网络得到随机数原始数据设计方案设计方案10路并行真随机数通道，每路256路振荡环作为熵源，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
4、据。设计方案设计方案后处理结构后处理结构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，为未来的流片提供参考。同时加入bypass功能，允许直接输出原始数据。后处理方案1：LFSR结构设计方案设计方案后处理结构后处理结构方案2：自反馈+PRBS结构方案3：双PRBS stop&go结构仿真与流片仿真与流片真随机数发生器芯片TRNG2014根据IO模式可分为TRNG2014CML和TRNG2014LVDS两个版本，layout版图如下图所示由于设计中大量自由振荡的振荡环带来巨大的计算量，无法对整体设计进行长程的后仿真。而是对芯片的各部分分模块进行了200MHz采样时钟条件下的后仿真，结果均符合设计预期。仿真与流片仿真与流片TRNG2014芯片流片工艺采用SMIC公司130nm工艺MPW流片，封装分为QFN48和PCB bonding两种方案，下图依次是芯片裸片显微照片和封装效果图总结与展望总结与展望本次流片测试最高数据率可达850Mbps，进一步的性能测试还在进行中；本次流片基本验证了设计方案的可行性，将根据最终的测试结果对现有设计提出改进方案；将根据改进方案进行下一次流片，实现可实际使用的真随机数发生器芯片，最高数据率可达1Gbps。
