JP7698288B2 - Random Number Generator - Google Patents
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Description
本発明は、乱数発生器に関する。 The present invention relates to a random number generator.
IoT(Internet of Things)の進展とともにモノに対するセキュリティの要求が高まっている。この要求に答えるべく、例えばパスワードや暗号鍵に乱数を用いる方法が実用化されている。しかし、アルゴリズムに基づいて乱数を発生させるいわゆる擬似乱数では、シードが漏洩すれば容易に乱数値が再現できる。シードが漏洩しなくとも、昨今の発達したAI技術や量子コンピュータを用いることで乱数値が再現できるおそれもある。 As the IoT (Internet of Things) advances, the demand for security for things is growing. To meet this demand, methods that use random numbers for passwords and encryption keys, for example, have been put to practical use. However, with so-called pseudo-random numbers that generate random numbers based on an algorithm, the random numbers can be easily reproduced if the seed is leaked. Even if the seed is not leaked, there is a risk that the random numbers can be reproduced using recent advances in AI technology and quantum computers.
このため、熱雑音のような物理現象に基づく動的乱雑性を利用した乱数発生器が提案されている。このような物理現象を採用した乱数は予測不可能でランダム性が高く、上述の擬似乱数に対し真性乱数と呼ばれる。 For this reason, random number generators have been proposed that use dynamic randomness based on physical phenomena such as thermal noise. Random numbers that use such physical phenomena are unpredictable and highly random, and are called true random numbers in contrast to the pseudorandom numbers mentioned above.
真性乱数を発生させる乱数発生器として、リング発振器の周波数揺らぎを利用するもの(例えば特開2010-117846号公報参照)、ラッチ回路のメタステーブル状態を利用するもの(例えば国際公開第2011/117929号参照)が公知である。 Known random number generators that generate true random numbers include those that use the frequency fluctuation of a ring oscillator (see, for example, JP 2010-117846 A) and those that use the metastable state of a latch circuit (see, for example, WO 2011/117929 A).
リング発振器を利用した従来の乱数発生器は、比較的安定して良質の、すなわち0、1がほぼ均等な確率で発生する乱数を得ることができるが、回路規模が大きく、1ビット乱数を得るための消費電力が大きくなり易い。また、リング発振器の発振周波数に近い周波数の擾乱波を重畳させる、いわゆるノイズ注入攻撃を受けると、その周波数に発振周波数がロックされてしまい、乱数性が低下するという脆弱性がある。 Conventional random number generators using ring oscillators can generate relatively stable, high-quality random numbers, i.e., random numbers that generate 0s and 1s with roughly equal probability, but the circuit scale is large and the power consumption required to generate a 1-bit random number tends to be high. In addition, when subjected to a so-called noise injection attack in which a disturbance wave with a frequency close to the oscillation frequency of the ring oscillator is superimposed, the oscillation frequency is locked to that frequency, making the generator vulnerable to a decrease in randomness.
ラッチ回路を利用した従来の乱数発生器は、基本回路の規模が小さく消費電力が小さいが、回路のばらつき特性の性質上、0、1のいずれかの発生確率が大きくなり易く、偏った乱数となり易い。この偏りは、フィードバック制御等の補正や多数のラッチ回路を準備してそれらの排他的論理和をとることで解消可能ではあるものの、消費電力が小さいというラッチ回路を利用する本来の長所を相殺してしまう。 Conventional random number generators that use latch circuits have a small basic circuit scale and consume little power, but due to the nature of the circuit's variability characteristics, the probability of either 0 or 1 occurring tends to be high, resulting in biased random numbers. This bias can be eliminated by using corrections such as feedback control or by preparing multiple latch circuits and taking their exclusive OR, but this offsets the inherent advantage of using latch circuits, which is low power consumption.
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、低消費電力で良質な乱数を発生可能であり、かつノイズ注入攻撃に対する耐性が高い乱数発生器の提供を目的とする。 The present invention was made based on the above circumstances, and aims to provide a random number generator that can generate high-quality random numbers with low power consumption and has high resistance to noise injection attacks.
本発明の一態様に係る乱数発生器は、乱雑さの発生源となる帰還インバータ部と、上記帰還インバータ部から発生する乱雑さに基づいて乱数を生成するデジタル変換回路とを備え、上記帰還インバータ部が、1つの入力及び1つの出力を有し、上記出力の電位が上記入力の電位の反転増幅となるように構成されているインバータ回路と、上記インバータ回路の上記出力を上記入力に帰還する1又は複数の抵抗性帰還パスを有する帰還回路とを有し、少なくとも1つの上記抵抗性帰還パスのコンダクタンスが、上記インバータ回路の上記入力と上記出力との電位が静的に等しくなる平衡状態における上記インバータ回路の相互コンダクタンスより小さい。 A random number generator according to one aspect of the present invention includes a feedback inverter unit that is a source of randomness, and a digital conversion circuit that generates random numbers based on the randomness generated by the feedback inverter unit, the feedback inverter unit having an inverter circuit having one input and one output, the potential of the output being an inverted amplification of the potential of the input, and a feedback circuit having one or more resistive feedback paths that feed the output of the inverter circuit back to the input, and the conductance of at least one of the resistive feedback paths is smaller than the mutual conductance of the inverter circuit in an equilibrium state in which the potentials of the input and output of the inverter circuit are statically equal.
当該乱数発生器は、増幅器として作用する帰還インバータ部の抵抗性帰還パスのコンダクタンスを上記インバータ回路の相互コンダクタンスより小さくすることで、帰還インバータ部に重畳する熱雑音の電圧を種として例えば発振又は減衰発振を生じさせ、振幅が大きい雑音電圧を得ることができる。この雑音電圧は、上記帰還インバータ部のインバータ回路の入力と出力との電位が静的に等しくなる平衡状態を中心に、上記入力が上記出力より大きい状態と小さい状態とを、比較的乱雑かつ偏りなく生じさせるので、良質の乱雑さ発生源となる。また、当該乱数発生器では、この振幅が大きい雑音電圧に基づいて、デジタル変換回路が乱数を生成するので、小さな回路規模、すなわち低消費電力で良質な乱数を発生可能である。さらに、当該乱数発生器では、比較的少ない周期数で振幅が大きい雑音電圧を得ることができるので、ノイズ注入攻撃を受けてもロックがかかりにくく、ノイズ注入攻撃に対する耐性が高い。 The random number generator can generate, for example, oscillation or damped oscillation using the thermal noise voltage superimposed on the feedback inverter as a seed by making the conductance of the resistive feedback path of the feedback inverter section, which acts as an amplifier, smaller than the mutual conductance of the inverter circuit, thereby obtaining a noise voltage with a large amplitude. This noise voltage generates relatively random and unbiased states in which the input is larger and smaller than the output, centered on an equilibrium state in which the potentials of the input and output of the inverter circuit of the feedback inverter section are statically equal, and thus serves as a source of good quality randomness. In addition, in the random number generator, the digital conversion circuit generates random numbers based on this noise voltage with a large amplitude, so that good quality random numbers can be generated with a small circuit scale, i.e., low power consumption. Furthermore, in the random number generator, a noise voltage with a large amplitude can be obtained with a relatively small number of cycles, so that it is less likely to be locked even when subjected to a noise injection attack, and has high resistance to noise injection attacks.
上記帰還回路が、コンダクタンスの異なる複数の抵抗性帰還パスと、上記複数の抵抗性帰還パスから1の抵抗性帰還パスを選択する制御部とを有するとよい。このように帰還回路にコンダクタンスの異なる複数の抵抗性帰還パスを設け、上記複数の抵抗性帰還パスを利用することで、連続して乱数を得る場合の自己相関を低減できる。また、ノイズ注入攻撃に対する耐性を高めることができる。 The feedback circuit may have a plurality of resistive feedback paths with different conductances, and a control unit that selects one resistive feedback path from the plurality of resistive feedback paths. By providing the feedback circuit with a plurality of resistive feedback paths with different conductances in this way and using the plurality of resistive feedback paths, it is possible to reduce autocorrelation when continuously obtaining random numbers. It is also possible to increase resistance to noise injection attacks.
1の上記抵抗性帰還パスが、複数の抵抗性素子を有し、上記複数の抵抗性素子のうち、少なくとも1つが他の上記抵抗性帰還パスの抵抗性素子と共通に用いられているとよい。このように複数の抵抗性帰還パスで共通に用いられる抵抗性素子を設けることで、帰還回路を低面積化することが可能となり、消費電力をさらに低減できる。 It is preferable that one of the resistive feedback paths has a plurality of resistive elements, and at least one of the resistive elements is used in common with a resistive element of another of the resistive feedback paths. By providing a resistive element that is used in common with a plurality of resistive feedback paths in this way, it is possible to reduce the area of the feedback circuit, and power consumption can be further reduced.
1の上記抵抗性帰還パスが、直列接続された複数の抵抗性素子を有し、上記複数の抵抗性素子のうち、2個以上の抵抗性素子のコンダクタンスが、上記インバータ回路の相互コンダクタンスより小さいとよい。このように直列接続された抵抗性素子を用いると、その直列接続の間の寄生容量素子等の効果により発振波の位相変化が大きくなり、熱雑音の電圧を種とした発振を生じさせ易くすることができる。種が乱雑なため、発振が生じる度に位相が乱雑にばらついた発振波を生じさせることができる。また、抵抗性素子の回路面積を比較的小さく抑えられ、かつ発振波の振幅は大きいので、デジタル変換回路の規模を小さくすることができ、消費電力をさらに低減できる。 The resistive feedback path of 1 has a plurality of resistive elements connected in series, and the conductance of two or more of the plurality of resistive elements is preferably smaller than the mutual conductance of the inverter circuit. When resistive elements connected in series are used in this way, the phase change of the oscillation wave increases due to the effect of parasitic capacitance elements between the series connections, making it easier to generate oscillations using the thermal noise voltage as a seed. Since the seeds are random, an oscillation wave with randomly varying phases can be generated each time oscillation occurs. In addition, since the circuit area of the resistive elements can be kept relatively small and the amplitude of the oscillation wave is large, the scale of the digital conversion circuit can be reduced, further reducing power consumption.
一対の上記帰還インバータ部を備え、上記一対の帰還インバータ部を、第1帰還インバータ部及び第2帰還インバータ部とするとき、上記デジタル変換回路が、上記第1帰還インバータ部及び上記第2帰還インバータ部のインバータ回路出力と入力との間の帰還回路を経由する接続の有無を選択する第1選択回路と、上記第1帰還インバータ部のインバータ回路の出力と上記第2帰還インバータ部のインバータ回路の入力との間及び上記第2帰還インバータ部のインバータ回路の出力と上記第1帰還インバータ部のインバータ回路の入力との間の接続の有無を選択する第2選択回路とを有するとよい。このように当該乱数発生器を上述の構成とすることで、デジタル変換回路を構成する素子特性のばらつきにより生成される乱数の偏りが生じることを抑止できる。 When the digital conversion circuit includes a pair of the feedback inverter units, the pair of feedback inverter units being a first feedback inverter unit and a second feedback inverter unit, the digital conversion circuit may have a first selection circuit that selects whether or not a connection is made between the inverter circuit output and the input of the first feedback inverter unit and the second feedback inverter unit via a feedback circuit, and a second selection circuit that selects whether or not a connection is made between the output of the inverter circuit of the first feedback inverter unit and the input of the inverter circuit of the second feedback inverter unit, and between the output of the inverter circuit of the second feedback inverter unit and the input of the inverter circuit of the first feedback inverter unit. By configuring the random number generator as described above, it is possible to prevent bias in the random numbers generated due to variations in the characteristics of the elements that make up the digital conversion circuit.
上記インバータ回路がMOSトランジスタを含み、上記抵抗性帰還パスの抵抗性素子がMOSトランジスタで構成され、少なくとも1つの上記抵抗性帰還パスの抵抗を構成するMOSトランジスタのゲート長に対するゲート幅比の合成値が、上記インバータ回路に含まれるMOSトランジスタの上記合成値より小さいとよい。このように、インバータ回路及び抵抗性帰還パスの抵抗性素子にMOSトランジスタを用い、ゲート長に対するゲート幅比の合成値を上述の関係とすることで、生成される乱数の良質性を維持しつつ、集積回路に容易に実装することができる。また、トランジスタ製造技術の微細化に対応して比例縮小した回路においても、上述の関係は維持されるので、比較的簡単な設計で、容易に製造コスト、消費電力、速度における微細化の恩恵を受けることができる。 The inverter circuit includes a MOS transistor, the resistive element of the resistive feedback path is composed of a MOS transistor, and the composite value of the gate width ratio to gate length of the MOS transistors constituting the resistor of at least one of the resistive feedback paths is smaller than the composite value of the MOS transistors included in the inverter circuit. In this way, by using MOS transistors for the inverter circuit and the resistive element of the resistive feedback path and by making the composite value of the gate width ratio to gate length have the above-mentioned relationship, it is possible to easily implement the random numbers in an integrated circuit while maintaining the quality of the generated random numbers. Furthermore, since the above-mentioned relationship is maintained even in a circuit that is proportionally scaled down in response to the miniaturization of transistor manufacturing technology, it is possible to easily benefit from miniaturization in manufacturing costs, power consumption, and speed with a relatively simple design.
ここで、「出力の電位が入力の電位の反転増幅となるインバータ回路」とは、入力電位変化に対する出力電位変化の微分係数が0以下であり、かつ入力と出力との電位が静的に等しくなる入力電位における上記微分係数が-1未満である、すなわち微分係数の絶対値が1より大きく増幅作用があるインバータ回路を言う。 Here, "an inverter circuit whose output potential is the inverse amplification of the input potential" refers to an inverter circuit in which the differential coefficient of the output potential change with respect to the input potential change is 0 or less, and the differential coefficient at the input potential where the input and output potentials are statically equal is less than -1, i.e., the absolute value of the differential coefficient is greater than 1 and has an amplifying effect.
本明細書において帰還回路が有する「1の抵抗性帰還パス」とは、インバータ回路の出力を入力に帰還する帰還回路を形成する際に、インバータ回路の出力と入力との間に配置され、上記出力から上記入力へ至る帰還電流が流れる回路素子により構成される回路網全体を指し、特にパスを構成する抵抗性回路素子の全てが直列に接続されていることを要しない。従って、「抵抗性帰還パスのコンダクタンス」とは、抵抗性帰還パスが複数の回路素子により構成されている場合にあっては、インバータ回路の出力と入力との間に接続される回路網全体の合成コンダクタンスを指す。また、構成する回路素子の一部又は全部が共通する場合であっても回路網の形態が異なる場合は、異なる抵抗性帰還パスであると分類するものとする。 In this specification, the "one resistive feedback path" of a feedback circuit refers to the entire circuit network composed of circuit elements that are arranged between the output and input of an inverter circuit when forming a feedback circuit that feeds back the output of an inverter circuit to the input, and through which a feedback current flows from the output to the input, and does not require that all of the resistive circuit elements that make up the path are connected in series. Therefore, when a resistive feedback path is composed of multiple circuit elements, the "conductance of a resistive feedback path" refers to the composite conductance of the entire circuit network connected between the output and input of an inverter circuit. Furthermore, even if some or all of the constituent circuit elements are common, if the circuit network configurations are different, they will be classified as different resistive feedback paths.
「MOSトランジスタのゲート長に対するゲート幅比の合成値」とは、対象とするインバータ回路又は1の抵抗性帰還パスを構成する全MOSトランジスタについて、個々のMOSトランジスタのゲート長Lに対するゲート幅Wの比(W/L)を求め、並列接続されているMOSトランジスタ部分については上記W/L(対象のMOSトランジスタが合成されている場合は、その合成比。以下同じ)の和を合成比とし、直列接続されているMOSトランジスタ部分については上記W/Lの逆数の和の逆数を合成比とする合成を対象とする回路(又は回路網)の全MOSトランジスタに対して繰り返して得られる1つの合成値を指す。 "Composite value of gate width ratio to gate length of MOS transistor" refers to a single composite value obtained by calculating the ratio (W/L) of gate width W to gate length L of each MOS transistor for all MOS transistors constituting the target inverter circuit or one resistive feedback path, and repeating the process for all MOS transistors in the target circuit (or circuit network) by taking the sum of the above W/L (if the target MOS transistors are composite, the composite ratio; the same applies below) as the composite ratio for the MOS transistor parts connected in parallel, and the reciprocal of the sum of the reciprocals of the above W/L as the composite ratio for the MOS transistor parts connected in series.
本発明の乱数発生器は、低消費電力で良質な乱数を発生可能であり、かつノイズ注入攻撃に対する耐性が高い。 The random number generator of the present invention can generate high-quality random numbers with low power consumption and is highly resistant to noise injection attacks.
[第1実施形態]
以下、本発明の第1の実施形態に係る乱数発生器について、適宜図面を参照しつつ説明する。
[First embodiment]
Hereinafter, a random number generator according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate.
図1に示す乱数発生器1は、乱雑さの発生源となる帰還インバータ部10と、帰還インバータ部10から発生する乱雑さに基づいて乱数を生成するデジタル変換回路20とを備える。
The
<帰還インバータ部>
帰還インバータ部10は、インバータ回路10aと、帰還回路10bとを有する。
<Feedback inverter section>
The
(インバータ回路)
インバータ回路10aは、1つの入力Vin及び1つの出力Voutを有し、出力Voutの電位が入力Vinの電位の反転増幅となるように構成されている(以下、入力Vin、出力Voutを、それぞれ単に「Vin」、「Vout」ということがある)。
(Inverter circuit)
The
インバータ回路10aは、MOSトランジスタを含む。すなわち、インバータ回路10aは、PMOSであるMOSトランジスタPINVと、NMOSであるMOSトランジスタNINVとを含む(以下、例えばMOSトランジスタPINVを単に「PINV」ともいう。他のMOSトランジスタについても同様である。PはPMOSを示し、NはNMOSを示す)。具体的には、図1に示すように、PINVと、NINVとが、それぞれのドレインを接続点として接続され、PINVのソースは電源VDD(以下、単に「VDD」ともいう)に接続され、NINVのソースは接地されている。また、PINV及びNINVのゲートには、Vinが接続されており、PINV及びNINVのドレイン(上記接続点)には、Voutが接続されている。
The
(帰還回路)
帰還回路10bは、インバータ回路10aの出力Voutを入力Vinに帰還し、コンダクタンスの異なる2つの抵抗性帰還パス11(高抵抗帰還パス11a及び低抵抗帰還パス11b)と、2つの抵抗性帰還パス11から1の抵抗性帰還パス11を選択する制御部12とを有する。抵抗性帰還パス11の抵抗性素子は、MOSトランジスタで構成されている。
(Feedback circuit)
The
高抵抗帰還パス11aは、図1に示すように、抵抗性素子であるON状態に固定されたトランスミッションゲートTG1(以下単に「TG1」ともいう。他の素子についても同様である)により構成されている。具体的には、TG1は、PMOSトランジスタPTG1及びNMOSトランジスタNTG1から構成され、そのソース同士及びドレイン同士がそれぞれ接続されている。TG1は、インバータ回路10aのVin-Vout間に配置されており(上記ソースがVinに接続され、上記ドレインがVoutに接続されており)、PTG1のゲートは接地され、NTG1のゲートはVDDに接続されている。つまり、PTG1及びNTG1は、ともにON状態に固定されている。
As shown in FIG. 1, the high
一方、低抵抗帰還パス11bは、上述のTG1と、トランスミッションゲートTG2とから構成される。つまり、低抵抗帰還パス11bは、2つの抵抗性素子(TG1及びTG2)を有し、上記複数の抵抗性素子のうちの1つTG1が他の抵抗性帰還パス11である高抵抗帰還パス11aの抵抗性素子(TG1)と共通に用いられている。このように複数の抵抗性帰還パス11で共通に用いられる抵抗性素子を設けることで、帰還回路10bを低面積化することが可能となり、消費電力をさらに低減できる。
On the other hand, the low
TG2は、インバータ回路10aのVin-Vout間に配置されており、PTG1のゲートは後述する制御部12の外部入力端子Fに接続され、NTG1のゲートは外部入力端子Fの反転信号に接続されている。
TG2 is disposed between Vin and Vout of the
ここで、高抵抗帰還パス11aはTG1のみで構成され、低抵抗帰還パス11bはTG1とTG2との並列接続からなる回路網で構成されるから、高抵抗帰還パス11aの抵抗値は、低抵抗帰還パス11bの抵抗値よりも高い。抵抗値の逆数であるコンダクタンスで言えば、高抵抗帰還パス11aのコンダクタンスは、低抵抗帰還パス11bのコンダクタンスよりも小さい。
Here, the high
制御部12は、図1に示すように、選択する抵抗性帰還パス11を決める外部入力端子Fと、この外部入力端子Fにその入力が接続され、外部入力端子Fの反転信号を出力するインバータ素子INV1とを有する。
As shown in FIG. 1, the
INV1は、例えばCMOSインバータで実現することができる。INV1の出力は、TG2を構成するNTG1のゲートに接続されている。また、外部入力端子Fは、PTG1のゲートにも接続されている。このように構成すると、外部入力端子Fを論理値1(電源VDDの電位)とすると、NTG1のゲートにはその反転信号である論理値0(接地電位)が伝わるから、TG2がOFF状態となり、TG1のみで構成される高抵抗帰還パス11aが選択される。逆に、外部入力端子Fを論理値0とすると、TG2がON状態となり、TG1及びTG2で構成される低抵抗帰還パス11bが選択される。
INV1 can be realized by, for example, a CMOS inverter. The output of INV1 is connected to the gate of NTG1 constituting TG2. The external input terminal F is also connected to the gate of PTG1 . In this configuration, when the external input terminal F is set to a logical value of 1 (potential of the power supply VDD), the gate of NTG1 is supplied with an inverted signal, that is, a logical value of 0 (ground potential), so that TG2 is turned OFF and the high
(帰還インバータ部の動作)
ここで、帰還インバータ部10の動作について説明する。図2は、1の抵抗性帰還パス11が選択された状態の帰還インバータ部10の等価回路を示している。図2において、C1、C2(それぞれ容量値をC1、C2で表す)は寄生容量、又は寄生容量とこれに付加された容量素子である。例えばC1には、寄生容量としてPINVのドレイン容量、NINVのドレイン容量、N3のゲート容量等が含まれ、C2には、寄生容量としてPINVのゲート容量、NINVのゲート容量、N2のゲート容量が含まれる。G1は、インバータ回路10aの入力Vinと出力Voutとの電位が静的に等しくなる平衡状態におけるインバータ回路10aの相互コンダクタンス(以下、単に「インバータ回路の相互コンダクタンス」ともいう)を表し、上記平衡状態における出力Voutの電位をVeqとして、入力Vin及び出力電流Ioutを用いて、下記式1を満たす。G2は、選択された1の抵抗性帰還パスの等価コンダクタンスである。
Iout=-(Vin-Veq)×G1 ・・・1
(Operation of the feedback inverter section)
Here, the operation of the
Iout=-(Vin-Veq)×G1...1
図2の回路で、熱雑音等により出力Voutの電位がVeqより変動した場合の過渡応答を考えると、帰還回路10bの時定数C2/G2が、ある臨界値よりも小さい場合、図3に示すように、ΔVout=Vout-Veqは、単調へ0に減衰していく単調減衰の挙動を示す。一方、上記時定数C2/G2を上記臨界値よりも大きくすると、図4に示すように、ΔVoutは、発振しながら振幅が0に近づいていく減衰発振の挙動を示すようになる。
Considering the transient response in the circuit of Figure 2 when the potential of the output Vout fluctuates from Veq due to thermal noise or the like, if the time constant C2/G2 of the
ここで、図2に示す寄生容量素子の容量値は一般にC1≒C2であり、この場合上記臨界値はC1/G1≒C2/G1となる。つまり、抵抗性帰還パス11のコンダクタンスG2が、インバータ回路10aの相互コンダクタンスG1より大きい場合に、時定数C2/G2は上記臨界値より小さくなり、単調減衰する。一方、抵抗性帰還パス11のコンダクタンスG2が、インバータ回路10aの相互コンダクタンスG1より小さくなると、時定数C2/G2は上記臨界値より大きくなり、減衰発振する。
The capacitance value of the parasitic capacitance element shown in FIG. 2 is generally C1≒C2, and in this case the critical value is C1/G1≒C2/G1. In other words, when the conductance G2 of the
熱雑音は常時発生しており、広い周波数成分と、乱雑な振幅及び位相とを持つ。減衰発振の条件においては、その減衰波形と周波数が近い成分が強め合いΔVoutとして多数の過去の雑音電圧の累積により大きな雑音電圧を得ることができる。図5にG1<G2の単調減衰条件(グラフ左側)及びG2<G1の減衰発振条件(グラフ右側)でのノイズシミュレーション結果を示す。減衰発振時は単調減衰時よりもVoutの電圧(グラフ上側、電圧軸は左側)の振幅は大きく、特定の周波数成分が認められるが、正弦波のような周期的な波形でなく、振幅と位相ともに乱雑である。この時、Vinの電圧(グラフ下側、電圧軸は右側)も、Voutと同様にVeq(図5では0.33V)を中心として乱雑な振幅と位相を持ち、サイクル毎にも異なっている。 Thermal noise is constantly generated and has a wide range of frequency components and random amplitudes and phases. Under damped oscillation conditions, components with frequencies close to the damped waveform reinforce each other, resulting in a large noise voltage ΔVout, which is the accumulation of many past noise voltages. Figure 5 shows the results of noise simulation under monotonic damping conditions of G1 < G2 (left side of the graph) and damped oscillation conditions of G2 < G1 (right side of the graph). During damped oscillation, the amplitude of the Vout voltage (upper side of the graph, voltage axis on the left) is larger than during monotonic damping, and certain frequency components are observed, but it is not a periodic waveform like a sine wave, and both the amplitude and phase are random. At this time, the Vin voltage (lower side of the graph, voltage axis on the right side) also has a random amplitude and phase centered on Veq (0.33 V in Figure 5) like Vout, and is different for each cycle.
当該乱数発生器1では、高抵抗帰還パス11aのコンダクタンスがインバータ回路10aの相互コンダクタンスより小さくなるように構成され、低抵抗帰還パス11bのコンダクタンスがインバータ回路10aの相互コンダクタンスより大きくなるように構成されている。つまり、当該乱数発生器1では、少なくとも1つの抵抗性帰還パス11のコンダクタンスが、インバータ回路10aの相互コンダクタンスより小さいという構成を満たし、高抵抗帰還パス11aを選択した場合には減衰発振が生じ、低抵抗帰還パス11bを選択した場合には単調減衰が生じる。
In the
インバータ回路10aの相互コンダクタンスに対する高抵抗帰還パス11aのコンダクタンスの比の上限としては、1であり、0.9がより好ましく、0.5がさらに好ましく、0.1が特に好ましい。上記コンダクタンス比を上記上限以下とすることで、大きな雑音電圧を容易に得ることができる。また、上述のように通常はC1≒C2であるが、上記コンダクタンスの比を0.9以下とすることで、C1とC2との間の開きが2倍以下である場合に、また上記コンダクタンスの比を0.5以下とすることでC1とC2との間の開きが5倍以下である場合に、減衰発振を生じさせることができるので、当該乱数発生器1を安定して動作させることができる。なお、「C1とC2との間の開きがN倍以下」とは、C1/C2≦N又はC2/C1≦Nのいずれかが成立することを意味する。
The upper limit of the ratio of the conductance of the high
一方、上記コンダクタンス比の下限としては、特に限定されず、理論限界値の0であってもよいが、0.01が好ましい。上記コンダクタンス比が上記下限未満であると、帰還に要する時間及びそれに伴う振幅増大のための時間が長くなり、スループット(単位時間あたりに得られる乱数の数)が小さくなり、乱数1ビットあたりの消費電力が大きくなるおそれがある。 On the other hand, the lower limit of the conductance ratio is not particularly limited and may be the theoretical limit value of 0, but is preferably 0.01. If the conductance ratio is below the lower limit, the time required for feedback and the associated time required for amplitude increase will be longer, which may reduce the throughput (the number of random numbers obtained per unit time) and increase the power consumption per bit of random number.
上述したように、当該乱数発生器1では、抵抗性帰還パス11の抵抗性素子がMOSトランジスタで構成されている。抵抗性帰還パス11のうち、コンダクタンスがインバータ回路10aの相互コンダクタンスより小さい高抵抗帰還パス11aを構成するMOSトランジスタのゲート長に対するゲート幅比の合成値が、インバータ回路10aに含まれるMOSトランジスタの上記合成値より小さいことが好ましい。具体的には、高抵抗帰還パス11aでは、TG1を構成する2つのMOSトランジスタが並列に接続されているから、その合成値X1は下記式2で表される。一方、インバータ回路10aは2つのMOSトランジスタがVDDと接地とに対して並列に接続されているから、その合成値X2は下記式3で表され、X1<X2であることが好ましい。なお、式2、式3中の添え字は、図1で対応するMOSトランジスタを表している。
このように、インバータ回路10a及び抵抗性帰還パス11の抵抗性素子にMOSトランジスタを用い、ゲート長に対するゲート幅比の合成値を上述の関係とすることで、生成される乱数の良質性を維持しつつ、集積回路に容易に実装することができる。また、トランジスタ製造技術の微細化に対応して比例縮小した回路においても、上述の関係は維持されるので、比較的簡単な設計で、容易に製造コスト、消費電力、速度における微細化の恩恵を受けることができる。
In this way, by using MOS transistors for the resistive elements of the
<デジタル変換回路>
デジタル変換回路20は、インバータ回路10aの入力Vin及び出力Voutの両方を入力とし、インバータ回路10aの入力Vin及び出力Voutの電位に応じた論理を出力する。
<Digital conversion circuit>
The
図1に示すデジタル変換回路20は、いわゆるストロングアームラッチと呼ばれるものであり、ラッチ回路21を有している。ラッチ回路21は、第1CMOSインバータ21a及び第2CMOSインバータ21bを含み、互いに逆極性のデータを保持可能に構成されている。具体的には、第1CMOSインバータ21aの出力Qが第2CMOSインバータ21bの入力に接続され、第2CMOSインバータ21bの出力QBが第2CMOSインバータ21bの入力に接続されている。この構成によりラッチ回路21は、出力Qと出力QBとが互いに反転の状態で安定し、データが保持される。
The
デジタル変換回路20は、4つのPMOSトランジスタP1、P2、P3及びP4と、3つのNMOSトランジスタN1、N2、N3と、外部入力端子SEとをさらに有している。P1は第1CMOSインバータ21aの出力Qと電源VDDとの間に、P2は第1CMOSインバータ21aを構成するNMOSトランジスタNaのソースと電源VDDとの間に、P3は第2CMOSインバータ21bの出力QBと電源VDDとの間に、P4は第2CMOSインバータ21bを構成するNMOSトランジスタNbのソースと電源VDDとの間に、それぞれ配置されている。また、P1乃至P4のゲートは、外部入力端子SEに接続されている。N1は、ソースが接地されており、ドレインはN2及びN3のソースに接続されている。N2のドレインは第1CMOSインバータ21aのNaのソースに、N3のドレインは第2CMOSインバータ21bのNbのソースに、それぞれ接続されている。さらに、N1のゲートは外部入力端子SEに、N2のゲートは帰還インバータ部10のインバータ回路10aの入力Vinに、N3のゲートは帰還インバータ部10のインバータ回路10aの出力Voutに、それぞれ接続されている。
The
デジタル変換回路20の動作について説明すると、まず、SEを論理値0(接地電位)とすることで、N1をOFF状態、P1乃至P4をON状態とする。このとき、第1CMOSインバータ21aを構成するPMOSトランジスタPa及び第2CMOSインバータ21bを構成するPMOSトランジスタPbのON/OFFに関わりなく、ラッチ回路21の内部ノードは全て電源電位VDDにプリチャージされる。
The operation of the
次に、帰還回路10bが減衰発振状態である、すなわち高抵抗帰還パス11aが選択されているときに、SEを論理値1(電源電位)とすると、N1がON状態、P1乃至P4がOFF状態となり、ラッチ回路21のラッチ動作が開始される。具体的には、プリチャージされた内部ノードの電位は低下していく。ここで、出力Q及びQBの電位の低下速度は、それぞれN2及びN3のオン抵抗に左右される。例えばVin>Voutの時は、N2のオン抵抗が小さくなるため、Qの電位の方が速く低下することとなり、ラッチ回路はQ=0、QB=1で安定し、データがラッチされる。逆に、Vin<Voutの時は、Q=1、QB=0で安定し、データがラッチされる。
Next, when the
上述のようにインバータ回路10aのVinとVoutとはともにVeqを中心として乱雑に変化するので、Vin>Voutの状態と、Vin<Voutの状態とは乱雑に等確率で発生するから、ラッチ回路21を構成するトランジスタのばらつきが十分に小さい場合、ラッチ回路21が0を取る確率と1を取る確率とが等しい(確率0.5である)真乱数が得られる。
As described above, both Vin and Vout of the
一方で、ラッチ回路21を構成するトランジスタのばらつきが無視できない場合には、0又は1のいずれかが発生し易い偏りが発生し得る。ここで、トランジスタのばらつきは、電位換算で数十mVのオーダーである。一方、熱雑音自体は、典型的には数mVのオーダーであり、そのままではトランジスタのばらつきが無視できない。しかし、当該乱数発生器1では、減衰発振を利用することで、熱雑音の振幅を増幅して利用するので、トランジスタのばらつきによる影響が低減され、乱数性を向上することができる。
On the other hand, if the variation in the transistors that make up the
なお、デジタル変換回路20の応答速度(SEを0→1としてからラッチ回路21が乱数値を取得するまでに要する時間)は、減衰発振の周期に比べて短いことが好ましい。これにより、安定して良質の乱数を得ることができる。
It is preferable that the response speed of the digital conversion circuit 20 (the time required for the
<当該乱数発生器の使用方法>
当該乱数発生器1は、減衰発振を生じさせる高抵抗帰還パス11aに加えて、単調減衰を生じさせる低抵抗帰還パス11bを選択することができる。以下に、両者を使用する利点とその使用方法について説明する。
<How to use the random number generator>
The
当該乱数発生器1で、連続して乱数を得る場合、SEに対して0、1を繰り返し入力することとなる。この繰り返し間隔が短い場合、直前の乱数取得に寄与した過去の減衰発振の影響が残った状態で次の乱数を取得する場合がある。この場合、直前の乱数値との間で自己相関が生じ、乱数性が低下するおそれがある。この自己相関は、乱数を取得する周期を減衰発振の周期に対して十分に大きくすることで避け得るが、乱数発生のスループットも低下してしまう。
When the
低抵抗帰還パス11bを併用すると、乱数発生のスループットの低下を抑止しつつ、自己相関を低減することができる。具体的には、図6に示すように、外部入力端子F及びSEを制御する。図6でF=1の場合、高抵抗帰還パス11aが選択され、減衰発振が生じる。一方、F=0の場合、低抵抗帰還パス11bが選択され、単調減衰が生じる。乱数の取得(SE=0→1)は、F=1、すなわち高抵抗帰還パス11aの選択時に行われるが、次の乱数の取得の前に、低抵抗帰還パス11bを選択し(F=0)、単調減衰の期間を設ける。単調減衰の期間を設けると、減衰発振していた直前の熱雑音は速やかにVeqに収束するから、次の乱数の取得に対する影響を低減することができる。
By using the low
このように帰還回路10bにコンダクタンスの異なる複数の抵抗性帰還パス11を設け、複数の抵抗性帰還パス11を利用することで、連続して乱数を得る場合の自己相関を低減できる。また、ノイズ注入攻撃に対する耐性を高めることができる。さらに、単調減衰とする期間を設けることで、インバータ回路10aに常に流れている貫通電流の大きさを低減できるから、消費電力を低減することもできる。
In this way, by providing multiple
<利点>
当該乱数発生器1は、増幅器として作用する帰還インバータ部10の抵抗性帰還パス11のコンダクタンスをインバータ回路10aの相互コンダクタンスより小さくすることで、帰還インバータ部10に重畳する熱雑音の電圧を種として減衰発振させ、振幅が大きい雑音電圧を得ることができる。この雑音電圧は、帰還インバータ部10のインバータ回路10aの入力と出力との電位が静的に等しくなる平衡状態を中心に、入力Vinが出力Voutより大きい状態と小さい状態とを、比較的乱雑かつ偏りなく生じさせるので、良質の乱雑さ発生源となる。また、当該乱数発生器1では、この振幅が大きい雑音電圧に基づいて、デジタル変換回路20が乱数を生成するので、小さな回路規模、すなわち低消費電力で良質な乱数を発生可能である。さらに、当該乱数発生器1では、比較的少ない周期数で熱雑音の電圧を減衰発振させ振幅が大きい雑音電圧を得ることができるので、ノイズ注入攻撃を受けてもロックがかかりにくく、ノイズ注入攻撃に対する耐性が高い。
<Advantages>
The
[第2実施形態]
図7に示す乱数発生器2は、乱雑さの発生源となる帰還インバータ部14と、帰還インバータ部14から発生する乱雑さに基づいて乱数を生成するデジタル変換回路20とを備える。このうち、デジタル変換回路20は、第1実施形態のデジタル変換回路20と同様に構成できるので、同一符号を付し、詳細説明を省略する。
[Second embodiment]
7 includes a
帰還インバータ部14は、1つの入力Vin及び1つの出力Voutを有し、出力Voutの電位が入力Vinの電位の反転増幅となるように構成されているインバータ回路10aと、帰還回路14bとを有する。このうち、インバータ回路10aは、第1実施形態のインバータ回路10aと同様であるので、同一符号を付し、詳細説明を省略する。
The
帰還回路14bは、インバータ回路10aの出力Voutを入力Vinに帰還する3つの抵抗性帰還パス15と、3つの抵抗性帰還パス15から1の抵抗性帰還パス15を選択する制御部16とを有する。
The
制御部16は、図7に示すように、選択する抵抗性帰還パス15を決める2つの外部入力端子F1、F2と、これらの外部入力端子F1、F2にその入力がそれぞれ接続され、外部入力端子F1、F2の反転信号を出力する2つのインバータ素子INV2、INV3とを有する。
As shown in FIG. 7, the
当該乱数発生器2では、抵抗性帰還パス15として、単調減衰を生じさせる単調減衰帰還パス15a及び減衰発振を生じさせる減衰発振帰還パス15bに加えて、発振帰還パス15cを有している。このうち減衰発振帰還パス15b及び発振帰還パス15cのコンダクタンスが、インバータ回路10aの相互コンダクタンスより小さい。すなわち、少なくとも1つの抵抗性帰還パス15のコンダクタンスが、インバータ回路10aの入力Vinと出力Voutとの電位が静的に等しくなる平衡状態におけるインバータ回路10aの相互コンダクタンスより小さい。以下、発振帰還パス15cについて説明する。なお、抵抗性帰還パス15の抵抗性素子は、MOSトランジスタで構成されている。
In the
(発振帰還パス)
発振帰還パス15cは、図7に示すように2つのトランスミッションゲートTG3、TG4の直列接続により構成されている。トランスミッションゲートの構成については、第1実施形態で述べた通りである。発振帰還パス15cのTG3及びTG4は、ON状態に固定されており、他の抵抗性帰還パス15である単調減衰帰還パス15a及び減衰発振帰還パス15bの抵抗性素子と共通に用いられている。この発振帰還パス15cのコンダクタンスは、インバータ回路10aの相互コンダクタンスより小さい。また、直列接続を構成するTG3及びTG4のコンダクタンスは、それぞれインバータ回路10aの相互コンダクタンスより小さい。つまり、当該乱数発生器2では、1の抵抗性帰還パス15(発振帰還パス15c)が、直列接続された複数の抵抗性素子を有し、上記複数の抵抗性素子のうち、2個以上の抵抗性素子のコンダクタンスが、インバータ回路10aの相互コンダクタンスより小さく構成されている。
(Oscillation feedback path)
The
第1実施形態における乱数発生器1では、抵抗性素子は1段である。これに対し、当該乱数発生器2では、抵抗性素子は2段であり、寄生容量とのRC回路が2段構成となる。このように2段以上のRC回路では、各RCの値を適切に制御することにより、1段のRC回路構成の場合に比べて帰還での位相変化が大きくなり、図8に示すように、発振させることができる。この際、発振時のVoutの振幅は、電源電圧の半分程度まで増幅させることができる。
In the
コンダクタンスがインバータ回路10aの相互コンダクタンスより小さい発振帰還パス15cを構成するMOSトランジスタのゲート長に対するゲート幅比の合成値が、インバータ回路10aに含まれるMOSトランジスタの上記合成値より小さいことが好ましい。具体的には、下記式4で表される発振帰還パス15cの合成値X3及び下記式5で表されるインバータ回路10aの合成値X4について、X3<X4であることが好ましい。また、発振帰還パス15cを構成する2段の抵抗性素子TG3及びTG4のそれぞれの上記合成値X5、X6は、下記式6及び下記式7で表され、X5<X4かつX6<X4であることがより好ましい。なお、式4から式7中の添え字は、図7で対応するMOSトランジスタを表している。
発振帰還パス15cが選択される際の外部入力端子F1、F2の論理値は、ともに1である。
When
(減衰発振帰還パス)
減衰発振帰還パス15bは、発振帰還パス15cを構成するトランスミッションゲートTG3、TG4に加えて、トランスミッションゲートTG5を含む。TG5は、直列接続されている2つのトランスミッションゲートTG3、TG4のうち、インバータ回路10aの出力Voutからみて下流側に位置するTG4に対して並列に接続されている。また、TG5のゲートは、外部入力端子F2により制御されている。TG5は、外部入力端子F2を論理値0とすると、ON状態となる。つまり、減衰発振帰還パス15bが選択される際の外部入力端子F1、F2の論理値は、F1が1であり、F2が0である。
(Damped oscillation feedback path)
The attenuated
TG4に対してTG5が並行に接続されるため、減衰発振帰還パス15bの回路網全体のコンダクタンスは、発振帰還パス15cのコンダクタンスより大きくなる。これにより減衰発振帰還パス15bは、選択されると、発振条件を満たさないように構成されている。一方、TG3を主たるコンダクタンス成分とする減衰発振帰還パス15bのコンダクタンスは、インバータ回路10aの相互コンダクタンスより小さくなるよう構成されているので、減衰発振帰還パス15bを選択すると、減衰発振が生じる。このとき、減衰発振帰還パス15bを構成するMOSトランジスタのゲート長に対するゲート幅比の合成値は、上記式5で表されるX4より小さく、かつ上記式4で表されるX3より大きい。
Since TG5 is connected in parallel to TG4, the conductance of the entire circuit network of the attenuating
(単調減衰帰還パス)
単調減衰帰還パス15aは、減衰発振帰還パス15bを構成するトランスミッションゲートTG3、TG4に加えて、少なくともトランスミッションTG6を含む。TG6は、直列接続されたTG3及びTG4に対して並列に接続される。また、TG6のゲートは、外部入力端子F1により制御されている。なお、TG6は、外部入力端子F1を論理値0とすると、ON状態となる。一方、回路網全体のコンダクタンスがインバータ回路10aの相互コンダクタンスより大きくなる限り、TG5はON状態であってもOFF状態であってもよい。つまり、F2の論理値は0又は1のいずれかが選択される。
(monotonically decaying feedback path)
The monotonic
直列接続されたTG3及びTG4に対してTG6が並列に接続されるため、単調減衰帰還パス15aの回路網全体のコンダクタンスは、減衰発振帰還パス15bのコンダクタンスよりさらに大きくなる。これにより単調減衰帰還パス15aは、選択されると、そのコンダクタンスがインバータ回路10aの相互コンダクタンスより大きくなるように構成されており、熱雑音は単調減衰する。
Since TG6 is connected in parallel to TG3 and TG4, which are connected in series, the conductance of the entire circuit network of the monotonically attenuating
<当該乱数発生器の使用方法>
当該乱数発生器2は、単調減衰帰還パス15a、減衰発振帰還パス15b及び発振帰還パス15cの3つの抵抗性帰還パス15から1つの抵抗性帰還パス15を選択することができる。以下に、3者を使用する利点とその使用方法について説明する。
<How to use the random number generator>
The
当該乱数発生器2は、発振を生じさせる発振帰還パス15cを有しているので、熱雑音の初期の微小振幅を大きな振幅で取り出すことができる。従って、デジタル変換回路20のトランジスタのばらつきによる乱数の偏りをさらに抑止できる。ところが、第1実施形態の乱数発生器1のように、自己相関を抑止すべく単調減衰帰還パス15aから発振帰還パス15cに直接切り替えた場合、発振帰還パス15cでは切り替え時に生じる同一性の高い単発雑音を種として成長するため、毎回同じ波形で位相も揃い易い傾向にある。このため生成される乱数は0又は1に偏り易く、良質の乱数が得られないおそれがある。
The
当該乱数発生器2では、減衰発振帰還パス15bを利用することでこの問題を解決することができる。すなわち、当該乱数発生器2では、まず、単調減衰帰還パス15aを選択し、単調減衰とする。この選択は、前サイクルで大振幅となったインバータ回路10aのVin及びVoutを急速にVeqに戻す役割を果たす。次に、減衰発振帰還パス15bを選択し、減衰発振を生じさせる。これによりVin、Voutの振幅を増大させることができる。減衰発振により振幅が増大すると、発振帰還パス15cに切り替える。そうすると、振幅がさらに増大し、発振が生じる。最後に、外部入力端子SEを論理値1として、その瞬間のVin-Voutの大小に応じて乱数値を取得する。このとき発振へと成長しているシードは、減衰発振により生じている雑音であるので、その都度、位相は乱雑に変化する。かつ、発振により振幅が大きく成長しているので、減衰発振帰還パス15bを利用する場合に比べて、デジタル変換回路20のMOSトランジスタのばらつきの影響が低減されるので、0、1がほぼ均等な確率で発生する乱数をさらに容易に得ることができる。なお、乱数値を取得した後には、再び単調減衰帰還パス15aを選択し、上述の手順を繰り返し行うことで、連続して良質の乱数を得ることができる。
In the
なお、当該乱数発生器2では、3つの抵抗性帰還パス15を切り替えて用いる場合を説明したが、例えば外部入力端子F1に入力する信号の波形を制御して、0VからVDD又はVDDから0Vへの遷移をゆっくりと時間をかけて変化させることで、単調減衰から減衰発振を経て発振へ移行させることもできる。このような制御を行う場合にあっては、外部入力端子F2、INV3及びTG5を省略することができる。また、TG3及びTG4に加えて、TG6のみをON状態とすることで単調減衰となることが前提となる。
In the above description, the
あるいは、外部入力端子F2、INV3及びTG5を省略した構成で、F1の論理値を1とした場合に減衰発振を生じるようにTG6を設けてもよい。単調減衰を利用せず、減衰発振(F1の論理値0)から発振(F1の論理値1)へ移行させても、当該乱数発生器2は、同様の効果を奏する。
Alternatively, the external input terminals F2, INV3, and TG5 may be omitted, and TG6 may be provided so that damped oscillation occurs when the logical value of F1 is set to 1. The
<利点>
当該乱数発生器2では、直列接続された抵抗性素子を用いて一部の抵抗性帰還パス15(発振帰還パス15c)が構成されている。このように直列接続された抵抗性素子を用いると、その直接接続の間の寄生容量素子等の効果により発振波の位相変化が大きくなり、熱雑音の電圧を種とした発振を生じさせ易くすることができる。このような発振波では正弦波に近い周期的な波形になるが、位相は発振の都度異なるため乱雑さが残り、当該乱数発生器2では、この位相の乱雑さを利用して乱数を発生させることができる。
<Advantages>
In the
当該乱数発生器2のようにデジタル変換回路20のラッチ回路をMOSトランジスタで構成する場合、そのサイズ(ゲート長Lやゲート幅W)を小さくとると、W×Lの平方根に反比例して、トランジスタの閾値電圧Vthがランダムにばらつき易くなる。このVthばらつきが大きくなると、生成される乱数の偏りが生じ易くなる。当該乱数発生器2では、乱雑さを残しつつ発振波の振幅が大きくするので、比較的大きなVthばらつきを許容しても生成される乱数に偏りが生じ難い。つまり、MOSトランジスタのサイズを小さくすることが可能となる。この結果、デジタル変換回路20の規模を小さくすることができ、消費電力をさらに低減できる。
When the latch circuit of the
[第3実施形態]
図9に示す乱数発生器3は、乱雑さの発生源となる一対の帰還インバータ部(第1帰還インバータ部17及び第2帰還インバータ部18)と、一対の上記帰還インバータ部から発生する乱雑さに基づいて乱数を生成するデジタル変換回路30とを備える。
[Third embodiment]
The
<帰還インバータ部>
第1帰還インバータ部17は、1つの入力Vin1及び1つの出力Vout1を有し、出力Vout1の電位が入力Vinの電位の反転増幅となるように構成されている第1インバータ回路17aと、第1インバータ回路17aの出力Vout1を入力Vin1に帰還する2つの抵抗性帰還パスを有する第1帰還回路17bとを有する。また、第1帰還インバータ部17は、少なくとも1つの上記抵抗性帰還パスのコンダクタンスが、第1インバータ回路17aの入力Vinと出力Voutとの電位が静的に等しくなる平衡状態における第1インバータ回路17aの相互コンダクタンスより小さい。
<Feedback inverter section>
The first
第2帰還インバータ部18は、1つの入力Vin2及び1つの出力Vout2を有し、出力Vout2の電位が入力Vin2の電位の反転増幅となるように構成されている第2インバータ回路18aと、第2インバータ回路18aの出力Vout2を入力Vin2に帰還する2つの抵抗性帰還パスを有する第2帰還回路18bとを有する。また、第2帰還インバータ部18は、少なくとも1つの上記抵抗性帰還パスのコンダクタンスが、第2インバータ回路18aの入力Vin2と出力Vout2との電位が静的に等しくなる平衡状態における第2インバータ回路18aの相互コンダクタンスより小さい。
The second
第1インバータ回路17a及び第2インバータ回路18aは、第1実施形態のインバータ回路10aと同様に構成できるので、詳細説明を省略する。なお、第1インバータ回路17a及び第2インバータ回路18aは、同一の構成であることが好ましい。
The
第1帰還回路17b及び第2帰還回路18bは、例えば第1実施形態の帰還回路10bや第2実施形態の帰還回路14b、あるいは他の構成を採用可能である。第1帰還回路17b及び第2帰還回路18bは、同一の構成であることが好ましい。ここでは、第1帰還回路17b及び第2帰還回路18bがともに第1実施形態の帰還回路10bと同様に構成されている場合を例に取り説明するが、第1帰還回路17b及び第2帰還回路18bの構成を第1実施形態の帰還回路10bの構成に限定するものではない。
The
<デジタル変換回路>
デジタル変換回路30は、第1帰還インバータ部17及び第2帰還インバータ部18のインバータ回路の出力と入力との間の帰還回路を経由する接続の有無を選択する第1選択回路31と、第1帰還インバータ部17のインバータ回路の出力Vout1と第2帰還インバータ部18のインバータ回路の入力Vin2との間及び第2帰還インバータ部18のインバータ回路の出力Vout2と第1帰還インバータ部17のインバータ回路の入力Vin1との間の接続の有無を選択する第2選択回路32とを有する。
<Digital conversion circuit>
The
具体的には、第1選択回路31は、図9に示すように、2つのトランスミッションゲートTG11、TG12と、インバータ素子INV4と、外部入力端子SE1とを有する。TG11は、第1帰還インバータ部17の第1インバータ回路17aの出力Vout1と第1帰還回路17bとの間に配置されており、TG12は、第2帰還インバータ部18の第2インバータ回路18aの出力Vout2と第2帰還回路18bとの間に配置されている。TG11及びTG12が有するPMOSトランジスタのゲートは、外部入力端子SE1に接続されており、TG11及びTG12が有するNMOSトランジスタのゲートは、外部入力端子SE1に接続されてその反転信号を生成するINV4に接続されている。
Specifically, as shown in FIG. 9, the
この構成により第1選択回路31では、SE1を論理値0とするとTG11及びTG12がON状態となり、第1帰還インバータ部17及び第2帰還インバータ部18のインバータ回路の出力と入力との間が帰還回路を介して接続され、第1帰還インバータ部17及び第2帰還インバータ部18それぞれで帰還インバータが構成される。一方、SE1を論理値1とするとTG11及びTG12がOFF状態となり、第1帰還インバータ部17及び第2帰還インバータ部18のインバータ回路の出力と入力との間が切り離される。
In this configuration, in the
第2選択回路32は、図9に示すように、2つのトランスミッションゲートTG21、TG22と、インバータ素子INV5と、外部入力端子SE2とを有する。TG21は、第1帰還インバータ部17のインバータ回路の出力Vout1と第2帰還インバータ部18のインバータ回路の入力Vin2との間に配置されており、TG22は、第2帰還インバータ部18のインバータ回路の出力Vout2と第1帰還インバータ部17のインバータ回路の入力Vin1との間に配置されている。TG21及びTG22が有するPMOSトランジスタのゲートは、外部入力端子SE2に接続されており、TG21及びTG22が有するNMOSトランジスタのゲートは、外部入力端子SE2に接続されてその反転信号を生成するINV5に接続されている。
As shown in FIG. 9, the
この構成により第2選択回路32では、SE2を論理値0とするとTG21及びTG22がON状態となり、第1帰還インバータ部17のインバータ回路の出力Vout1と第2帰還インバータ部18のインバータ回路の入力Vin2との間及び第2帰還インバータ部18のインバータ回路の出力Vout2と第1帰還インバータ部17のインバータ回路の入力Vin1との間が接続され、ラッチ回路が形成される。一方、SE2を論理値1とするとTG21及びTG22がOFF状態となり、上述の接続が切り離される。
In this configuration, in the
<当該乱数発生器の使用方法>
当該乱数発生器3では、最初は、論理値でSE1=0、SE2=1とし、第1帰還インバータ部17及び第2帰還インバータ部18に帰還インバータ回路を構成する。ここで、第1帰還インバータ部17及び第2帰還インバータ部18の外部入力端子Fの論理値をともに0→1とすることで、第1帰還インバータ部17及び第2帰還インバータ部18は、減衰発振をする。
<How to use the random number generator>
In the
第1帰還インバータ部17及び第2帰還インバータ部18が減衰発振している状態で、SE1=1とすると、帰還が遮断され、その瞬間の雑音電圧が重畳した入力Vin1、Vin2の電圧は、それぞれのC2に保持される。この雑音電圧は第1インバータ回路17a及び第2インバータ回路18aでそれぞれ増幅される。
When the first
次に、SE2=0とすると、第1インバータ回路17a及び第2インバータ回路18aによりラッチ回路が構成される。このとき、ラッチ回路が保持する値は、第1インバータ回路17a及び第2インバータ回路18aのC2に保持された雑音電圧に左右されるため、毎回ランダムな値となる。
Next, when SE2=0, a latch circuit is formed by the
<利点>
第1実施形態で説明したように、ラッチ回路を構成するトランジスタのばらつきが無視できない場合には、得られる乱数に0又は1のいずれかが発生し易い偏りが発生し得る。当該乱数発生器3では、ラッチ回路を構成するインバータ回路が、帰還インバータ回路も構成するので、このばらつきの影響を相殺することができる。従って、当該乱数発生器3を上述の構成とすることで、デジタル変換回路30を構成する素子特性のばらつきにより生成される乱数の偏りが生じることを抑止できる。
<Advantages>
As described in the first embodiment, when the variation of the transistors constituting the latch circuit cannot be ignored, the random numbers obtained may be biased toward generating either 0 or 1. In the
[その他の実施形態]
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
[Other embodiments]
The above-mentioned embodiment does not limit the configuration of the present invention. Therefore, the above-mentioned embodiment may omit, replace or add components of each part of the above-mentioned embodiment based on the description in this specification and common general technical knowledge, and it should be understood that all of these are within the scope of the present invention.
上記実施形態では、インバータ回路がMOSトランジスタを含み、抵抗性帰還パスの抵抗性素子がMOSトランジスタで構成される場合を説明したが、インバータ回路及び抵抗性帰還パスの抵抗性素子の一部又は全部がMOSトランジスタ以外の素子で構成されてもよい。例えば抵抗性帰還パスの抵抗性素子をウェル抵抗、ポリシリコン抵抗、チップ抵抗器等で構成することもできる。 In the above embodiment, the inverter circuit includes MOS transistors, and the resistive elements of the resistive feedback path are configured with MOS transistors. However, some or all of the inverter circuit and the resistive elements of the resistive feedback path may be configured with elements other than MOS transistors. For example, the resistive elements of the resistive feedback path may be configured with well resistors, polysilicon resistors, chip resistors, etc.
上記実施形態では、帰還回路が複数の抵抗性帰還パスを有する場合を説明したが、1の抵抗性帰還パスを有する乱数発生器も本発明の意図するところである。1の抵抗性帰還パスを有する乱数発生器も同様の効果を奏する。この場合、上記1の抵抗性帰還パスのコンダクタンスがインバータ回路の相互コンダクタンスより小さい。また、この構成においては、帰還回路の制御部を省略することができる。 In the above embodiment, a case where the feedback circuit has multiple resistive feedback paths has been described, but a random number generator having one resistive feedback path is also within the scope of the present invention. A random number generator having one resistive feedback path has the same effect. In this case, the conductance of the one resistive feedback path is smaller than the mutual conductance of the inverter circuit. Furthermore, in this configuration, the control unit of the feedback circuit can be omitted.
上記実施形態では、デジタル変換回路がインバータ回路の入力及び出力の両方を入力とする場合を説明したが、インバータ回路の入力及び出力のうちいずれか一方を入力とすることも可能である。また、デジタル変換回路は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、乱雑さの発生源となる帰還インバータ部から任意のタイミングでの論理値を取り出せるものであればよい。 In the above embodiment, the digital conversion circuit uses both the input and output of the inverter circuit as inputs, but it is also possible to use either the input or the output of the inverter circuit as input. In addition, the digital conversion circuit is not limited to the configuration of the above embodiment, and may be any circuit that can extract a logical value at any timing from the feedback inverter unit, which is the source of noise.
上記第3実施形態では、第1選択回路としてトランスミッションゲートにより各帰還インバータ部のインバータ回路の出力と帰還回路との間の接続の有無を選択する方法を説明したが、帰還回路内の全ての抵抗性帰還パスを非接続とする制御を行うことで、インバータ回路の出力と入力との間の帰還回路を経由する接続の有無を選択してもよい。例えば図7に示す帰還回路14bを用いる場合であれば、TG3及びTG6をOFF状態とすれば、帰還回路内の全ての抵抗性帰還パスを非接続とできる。この場合、第1選択回路が有するトランスミッションゲート(図9のTG11、TG12)は省略可能である。
In the above third embodiment, a method was described in which a transmission gate was used as the first selection circuit to select whether or not to connect the output of the inverter circuit of each feedback inverter unit to the feedback circuit, but the presence or absence of a connection via the feedback circuit between the output and input of the inverter circuit may be selected by controlling all resistive feedback paths in the feedback circuit to be disconnected. For example, when using the
上記実施形態では、インバータ回路の相互コンダクタンスよりコンダクタンスの小さい抵抗性帰還パスが発振又は減衰発振を生じる場合を説明したが、インバータ回路の相互コンダクタンスより小さい抵抗性帰還パスが発振又は減衰発振を生じることは必須ではない。減衰発振に至らずとも、抵抗性帰還パスのコンダクタンスをインバータ回路の相互コンダクタンスより小さくすることで、雑音電圧の振幅を大きくすることができるので、上記実施形態と同様の効果を奏する。 In the above embodiment, a case has been described in which a resistive feedback path with a conductance smaller than the mutual conductance of the inverter circuit causes oscillation or damped oscillation, but it is not essential that a resistive feedback path with a conductance smaller than the mutual conductance of the inverter circuit causes oscillation or damped oscillation. Even if damped oscillation is not reached, the amplitude of the noise voltage can be increased by making the conductance of the resistive feedback path smaller than the mutual conductance of the inverter circuit, thereby achieving the same effect as the above embodiment.
以上説明したように、本発明の乱数発生器は、低消費電力で良質な乱数を発生可能であり、かつノイズ注入攻撃に対する耐性が高い。 As described above, the random number generator of the present invention can generate high-quality random numbers with low power consumption and is highly resistant to noise injection attacks.
1、2、3 乱数発生器
10、14 帰還インバータ部
10a インバータ回路
10b、14b 帰還回路
11 抵抗性帰還パス
11a 高抵抗帰還パス
11b 低抵抗帰還パス
12、16 制御部
15 抵抗性帰還パス
15a 単調減衰帰還パス
15b 減衰発振帰還パス
15c 発振帰還パス
17 第1帰還インバータ部
17a 第1インバータ回路
17b 第1帰還回路
18 第2帰還インバータ部
18a 第2インバータ回路
18b 第2帰還回路
20 デジタル変換回路
21 ラッチ回路
21a 第1CMOSインバータ
21b 第2CMOSインバータ
30 デジタル変換回路
31 第1選択回路
32 第2選択回路
Vin、Vin1、Vin2 入力
Vout、Vout1、Vout2 出力
VDD 電源
F、F1、F2、SE、SE1、SE2 外部入力端子
PINV、NINV MOSトランジスタ
TG1、TG2、TG3、TG4、TG5、TG6 トランスミッションゲート
TG11、TG12、TG21、TG22 トランスミッションゲート
PTG1、PTG2、PTG3、PTG4、PTG5、PTG6 MOSトランジスタ
NTG1、NTG2、NTG3、NTG4、NTG5、NTG6 MOSトランジスタ
INV1、INV2、INV3、INV4、INV5 インバータ素子
C1、C2、C3 容量素子
G1、G2 等価抵抗
Pa、Pb、Na、Nb MOSトランジスタ
Q 第1CMOSインバータの出力
QB 第2CMOSインバータの出力
P1、P2、P3、P4 MOSトランジスタ
N1、N2、N3 MOSトランジスタ
1, 2, 3 Random number generator 10, 14 Feedback inverter section 10a Inverter circuit 10b, 14b Feedback circuit 11 Resistive feedback path 11a High resistance feedback path 11b Low resistance feedback path 12, 16 Control section 15 Resistive feedback path 15a Monotonic damping feedback path 15b Damping oscillation feedback path 15c Oscillation feedback path 17 First feedback inverter section 17a First inverter circuit 17b First feedback circuit 18 Second feedback inverter section 18a Second inverter circuit 18b Second feedback circuit 20 Digital conversion circuit 21 Latch circuit 21a First CMOS inverter 21b Second CMOS inverter 30 Digital conversion circuit 31 First selection circuit 32 Second selection circuit Vin, Vin1, Vin2 Input Vout, Vout1, Vout2 Output VDD Power supply F, F1, F2, SE, SE1, SE2 External input terminal P INV , N INV MOS transistors TG1, TG2, TG3, TG4, TG5, TG6 Transmission gates TG11, TG12, TG21, TG22 Transmission gates P TG1 , P TG2 , P TG3 , P TG4 , P TG5 , P TG6 MOS transistors N TG1 , N TG2 , N TG3 , N TG4 , N TG5 , N TG6 MOS transistors INV1, INV2, INV3, INV4, INV5 Inverter elements C1, C2, C3 Capacitor elements G1, G2 Equivalent resistances Pa, Pb, Na, Nb MOS transistor Q Output of first CMOS inverter QB Output of second CMOS inverter P1, P2, P3, P4 MOS transistors N1, N2, N3 MOS transistor
Claims (6)
上記帰還インバータ部から発生する乱雑さに基づいて乱数を生成するデジタル変換回路と
を備え、
上記帰還インバータ部が、
1つの入力及び1つの出力を有し、上記出力の電位が上記入力の電位の反転増幅となるように構成されているインバータ回路と、
上記インバータ回路の上記出力を上記入力に帰還する1又は複数の抵抗性帰還パスを有する帰還回路と
を有し、
少なくとも1つの上記抵抗性帰還パスのコンダクタンスが、上記インバータ回路の上記入力と上記出力との電位が静的に等しくなる平衡状態における上記インバータ回路の相互コンダクタンスより小さく、
上記インバータ回路の相互コンダクタンスよりコンダクタンスが小さい抵抗性帰還パスの選択により乱数の取得を行う乱数発生器。 A feedback inverter unit which is a source of randomness;
a digital conversion circuit that generates a random number based on the randomness generated by the feedback inverter unit;
The feedback inverter unit is
an inverter circuit having one input and one output, the potential of the output being an inverted and amplified potential of the input;
a feedback circuit having one or more resistive feedback paths feeding back the output of the inverter circuit to the input,
a conductance of at least one of the resistive feedback paths is smaller than a mutual conductance of the inverter circuit in an equilibrium state in which the potentials of the input and the output of the inverter circuit are statically equal;
A random number generator that obtains random numbers by selecting a resistive feedback path whose conductance is smaller than the mutual conductance of the inverter circuit .
コンダクタンスの異なる複数の抵抗性帰還パスと、
上記複数の抵抗性帰還パスから1の抵抗性帰還パスを選択する制御部と
を有する請求項1に記載の乱数発生器。 The feedback circuit is
A plurality of resistive feedback paths having different conductances;
and a control unit that selects one resistive feedback path from the plurality of resistive feedback paths.
上記複数の抵抗性素子のうち、少なくとも1つが他の上記抵抗性帰還パスの抵抗性素子と共通に用いられている請求項2に記載の乱数発生器。 one of the resistive feedback paths includes a plurality of resistive elements;
3. The random number generator according to claim 2, wherein at least one of said plurality of resistive elements is used in common with other resistive elements of said resistive feedback paths.
上記複数の抵抗性素子のうち、2個以上の抵抗性素子のコンダクタンスが、上記インバータ回路の相互コンダクタンスより小さい請求項1、請求項2又は請求項3に記載の乱数発生器。 one of the resistive feedback paths includes a plurality of resistive elements connected in series;
4. The random number generator according to claim 1, wherein the conductance of at least two of said plurality of resistive elements is smaller than the mutual conductance of said inverter circuit.
上記一対の帰還インバータ部を、第1帰還インバータ部及び第2帰還インバータ部とするとき、
上記デジタル変換回路が、
上記第1帰還インバータ部及び上記第2帰還インバータ部のインバータ回路の出力と入力との間の帰還回路を経由する接続の有無を選択する第1選択回路と、
上記第1帰還インバータ部のインバータ回路の出力と上記第2帰還インバータ部のインバータ回路の入力との間及び上記第2帰還インバータ部のインバータ回路の出力と上記第1帰還インバータ部のインバータ回路の入力との間の接続の有無を選択する第2選択回路と
を有する請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の乱数発生器。 A pair of the feedback inverter units is provided,
When the pair of feedback inverter units are a first feedback inverter unit and a second feedback inverter unit,
The digital conversion circuit is
a first selection circuit that selects whether or not a connection is made between an output and an input of an inverter circuit of the first feedback inverter unit and the second feedback inverter unit via a feedback circuit;
5. The random number generator according to claim 1, further comprising: a second selection circuit that selects whether or not a connection is established between the output of the inverter circuit of the first feedback inverter section and the input of the inverter circuit of the second feedback inverter section, and between the output of the inverter circuit of the second feedback inverter section and the input of the inverter circuit of the first feedback inverter section.
上記抵抗性帰還パスの抵抗性素子がMOSトランジスタで構成され、
少なくとも1つの上記抵抗性帰還パスの抵抗を構成するMOSトランジスタのゲート長に対するゲート幅比の合成値が、上記インバータ回路に含まれるMOSトランジスタの上記合成値より小さい請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の乱数発生器。
the inverter circuit includes a MOS transistor;
the resistive element of the resistive feedback path is composed of a MOS transistor,
6. A random number generator as claimed in claim 1, wherein a composite value of the gate width to gate length ratio of a MOS transistor constituting a resistor of at least one of the resistive feedback paths is smaller than the composite value of a MOS transistor included in the inverter circuit.
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