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，USTC2 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（量子密钥分发（QKD）系统）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。商用商用TRNG发展现状：发展现状：ID Quantique公司QUANTIS芯片：4Mbps北京宏思电子WNG-8系列芯片：20Mbps6 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
3、单易实现，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改进方案加入熵源配置电路物理熵
4、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 SPI使能配置电路时序仿真（1GHz）
5、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26mW17 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
6、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
