本發(fā)明涉及集成電路硬件，尤其涉及一種基于磁隧道結(jié)的高可靠真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路及其工作方法。

背景技術(shù)：

1、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(rng)是一種用于生成無(wú)序的且隨機(jī)出現(xiàn)的數(shù)字或符號(hào)的序列的設(shè)備或算法，常用在信息安全領(lǐng)域中。根據(jù)原理的不同，rng可分為偽隨機(jī)數(shù)生成器(prng)或真隨機(jī)數(shù)生成器(trng)。prng一般由算法生成，具有可預(yù)測(cè)的規(guī)律性，不能稱之為真正的隨機(jī)數(shù)，其安全性較低。而trng來(lái)源于不可預(yù)測(cè)的物理現(xiàn)象，利用物理混沌態(tài)帶來(lái)的隨機(jī)性產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)，具有無(wú)法預(yù)測(cè)的特性。由于物理混沌態(tài)易受環(huán)境影響，如溫度、偏壓和工藝偏差等，需要探索能夠提供高穩(wěn)定輸出的隨機(jī)數(shù)發(fā)生電路設(shè)計(jì)方法。

2、線性反饋移位寄存器(lfsr)經(jīng)常被當(dāng)作隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的隨機(jī)源。lfsr由多個(gè)寄存器和多個(gè)異或門構(gòu)成，電路面積大，硬件成本高。利用新興的非易失性存儲(chǔ)器件（如mtj）阻值變化過(guò)程中天然的隨機(jī)特性，可以降低生成真隨機(jī)數(shù)的成本。

3、現(xiàn)有技術(shù)中有真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器使用磁隧道結(jié)mtj作為隨機(jī)源，通過(guò)磁場(chǎng)生成器隨機(jī)改變mtj狀態(tài)，通過(guò)檢測(cè)電路讀取mtj的狀態(tài)。方案缺少后處理或基于反饋回路的控制機(jī)制，會(huì)受到工藝精度、環(huán)境波動(dòng)的影響，無(wú)法確保生成的真隨機(jī)數(shù)的可靠性和隨機(jī)性。

4、此外，現(xiàn)有技術(shù)還有真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器采用反饋回路調(diào)節(jié)寫(xiě)入電路使隨機(jī)比特流發(fā)生器生成隨機(jī)比特流，需要用到計(jì)數(shù)器和比較器將從讀取電路獲得的隨機(jī)比特流與時(shí)鐘信號(hào)作比較，從而調(diào)節(jié)寫(xiě)入電路的電流值，確保讀出的隨機(jī)比特流的隨機(jī)性。與本發(fā)明相比，這種方案的電路設(shè)計(jì)所需的面積和能量開(kāi)銷較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：提出一種基于磁隧道結(jié)的高可靠真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路及其工作方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)提出的上述問(wèn)題。

2、本發(fā)明的第一個(gè)方面，提出一種基于磁隧道結(jié)的高可靠真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路，包括隨機(jī)性提取部分和后處理部分；隨機(jī)性提取部分包括至少一個(gè)時(shí)鐘控制電路；至少一個(gè)復(fù)位電路；至少一個(gè)寫(xiě)入電路；至少一個(gè)隨機(jī)源；至少一個(gè)讀取電路。

3、時(shí)鐘控制電路的輸出分別接入所述寫(xiě)入電路、復(fù)位電路、讀取電路；所述復(fù)位電路、寫(xiě)入電路的輸出接入所述隨機(jī)源；所述隨機(jī)源為磁隧道結(jié)mtj；所述隨機(jī)源的輸出接入所述讀取電路；

4、后處理部分包括至少一個(gè)線性修改器，所述線性修改器包括多個(gè)依次相連的移位寄存器以及多個(gè)異或門；所述讀取電路的輸出接入所述線性修改器，由所述線性修改器輸出真隨機(jī)數(shù)。

5、在第一方面進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述隨機(jī)性提取部分具體包括pmos晶體管p0、p1、p2、p3、p5、p6；nmos晶體管n0、n1、n2、n3、n4、n5、n6；電源vdd和vddh；電阻rref；磁隧道結(jié)mtj；反相器。

6、其中，時(shí)鐘控制電路控制reset、、write、和clk信號(hào)；pmos晶體管p6、nmos晶體管n6和電源vddh構(gòu)成復(fù)位電路；pmos晶體管p5、nmos晶體管n5和電源vddh構(gòu)成mtj寫(xiě)入電路；pmos晶體管p0、p1、p2、p3，nmos晶體管n0、n1、n2、n3、n4，電阻rref，電源vddh和一個(gè)反相器構(gòu)成讀取電路。

7、在第一方面進(jìn)一步的實(shí)施例中，時(shí)鐘信號(hào)clk分別接入pmos晶體管p0和pmos晶體管p3；復(fù)位信號(hào)reset接入nmos晶體管n6；信號(hào)為復(fù)位信號(hào)取反，其接入pmos晶體管p6；寫(xiě)入信號(hào)write接入nmos晶體管n5；信號(hào)為寫(xiě)入信號(hào)取反，其接入pmos晶體管p5；寫(xiě)入電流iwr從電源vddh依次通過(guò)pmos晶體管p5、磁隧道結(jié)mtj和nmos晶體管n5流向地線gnd；復(fù)位電流ir從電源vddh依次通過(guò)pmos晶體管p6、磁隧道結(jié)mtj和nmos晶體管n6流向地線gnd。

8、在第一方面進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述電阻rref=(rap+rp)/2，其中rap為磁隧道結(jié)mtj處在反平行態(tài)ap下的阻值，rp為磁隧道結(jié)mtj處在平行態(tài)p下的阻值。

9、在第一方面進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述線性修改器包括9個(gè)移位寄存器和4個(gè)異或門；

10、移位寄存器由9個(gè)邊沿觸發(fā)的主從d型觸發(fā)器組成；

11、隨機(jī)性提取電路的輸出vout被傳輸?shù)?位移位寄存器電路。

12、在第一方面進(jìn)一步的實(shí)施例中，輸出隨機(jī)比特流output由信號(hào)qssr0、qssr2、qssr3、qssr4和qssr8進(jìn)行異或運(yùn)算產(chǎn)生。

13、本發(fā)明的第二個(gè)方面，公開(kāi)如第一方面所述的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路的工作方法，每生成一次真隨機(jī)數(shù)，依次經(jīng)歷5ns的復(fù)位階段、2.5ns的隨機(jī)寫(xiě)入階段、2.5ns的讀取階段。

14、在復(fù)位階段：reset信號(hào)是高電平，write信號(hào)和clk信號(hào)是低電平；pmos晶體管p0、p3、p6、nmos晶體管n6打開(kāi)，而其余晶體管關(guān)閉；

15、讀取電路的互補(bǔ)輸出端口qm和被預(yù)充電至vdd；此時(shí)，nmos晶體管n3和n4被打開(kāi)，而pmos晶體管p1和p2被關(guān)閉；同時(shí)，復(fù)位電流ir從電源vddh依次通過(guò)pmos晶體管p6、磁隧道結(jié)mtj和nmos晶體管n6流向地線gnd；磁隧道結(jié)mtj翻轉(zhuǎn)或者停留在p狀態(tài)。由于每個(gè)周期中產(chǎn)生的隨機(jī)寫(xiě)入應(yīng)該是互相獨(dú)立的，因此ir設(shè)置為ic0的3倍，以保證mtj被100%復(fù)位在p狀態(tài)。

16、在隨機(jī)寫(xiě)入階段：write信號(hào)為高電平，reset信號(hào)和clk信號(hào)為低電平；pmos晶體管p0、p3、p5、nmos晶體管n3、n4、n5打開(kāi)，而其余晶體管關(guān)閉；讀取電路的互補(bǔ)輸出端口qm和繼續(xù)保持預(yù)充電狀態(tài)；寫(xiě)入電流iwr從電源vddh依次通過(guò)pmos晶體管p5、磁隧道結(jié)mtj和nmos晶體管n5流向地線gnd。由于mtj的隨機(jī)翻轉(zhuǎn)行為，mtj要么翻轉(zhuǎn)到ap狀態(tài)，要么保持p狀態(tài)。通過(guò)恰當(dāng)設(shè)置p5和n5的參數(shù)，可以獲得50%的翻轉(zhuǎn)概率。

17、在讀取階段：clk信號(hào)為高電平，reset信號(hào)和write信號(hào)都是低電平；nmos晶體管n0、n1、n2、n3和n4打開(kāi)，其余晶體管關(guān)閉；讀取電路的互補(bǔ)輸出端口qm和開(kāi)始放電；隨機(jī)性提取電路的輸出vout由流經(jīng)磁隧道結(jié)mtj和參考電阻rref的電流的放電速度決定：如果磁隧道結(jié)mtj處于p狀態(tài)，將因mtj的電阻低于預(yù)定值而以大于預(yù)定的放電速率向地線放電；當(dāng)?shù)碾妷旱椭羛2打開(kāi)而n4關(guān)閉時(shí)，則vdd向qm充電，與此同時(shí)繼續(xù)放電；結(jié)果，qm被拉至高電平，因此vout將為低電平；反之，qm將以大于預(yù)定的放電速率放電到地面，vout將為高電平；重復(fù)以上過(guò)程獲得原始隨機(jī)比特流。由于原始數(shù)據(jù)對(duì)pvt(工藝偏差，偏置電壓和溫度）變化很敏感，因此需要采用后處理方法來(lái)保持較高的隨機(jī)熵。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明存在如下有益效果：

19、（1）本發(fā)明利用mtj的隨機(jī)翻轉(zhuǎn)特性，將mtj的隨機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為隨機(jī)比特流。與之前的trng相比，本發(fā)明提出的電路設(shè)計(jì)擁有簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)、更緊湊的面積和更高的能效。

20、（2）本發(fā)明所設(shè)計(jì)的線性修改器可有效降低生成真隨機(jī)數(shù)的偏差，生成期望概率(50%)的隨機(jī)數(shù)，吞吐量高且能提高真隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)熵。在不同的工藝、偏壓和溫度波動(dòng)情況下，本發(fā)明所提出的設(shè)計(jì)均能得到高質(zhì)量的隨機(jī)數(shù)輸出。