20、真随机数生成器的设计与实现

真随机数生成器的设计与实现

在当今数字化的时代，随机数在许多领域都有着至关重要的作用，如密码学、模拟实验等。而真随机数生成器（TRNG）由于其输出的不可预测性，成为了保障系统安全和可靠性的关键组件。本文将详细介绍一种基于标准数字门和布局工具的真随机数生成器的设计、实现、测试及结果分析。

1. 设计原理

该设计采用了两个自由运行（无需晶体或类似参考）的振荡器，它们会相互漂移。这种振荡器即使在短时间内也会表现出很大的可变性，两个相似振荡器的不同内部噪声（导致相位抖动并积累为相位漂移）可作为随机性的来源。一段时间后，瞬时电压被数字双稳态电路锁存，从而捕获随机状态。

2. 集成电路设计

为了验证这些概念，构建了一个包含九种不同类型随机数生成器的集成电路。每种设计都使用了双稳态设备，大多数情况下由一对门组成存储元件。考虑到对电路延迟的明显依赖，每种随机生成器风格都复制了15到31种不同的变体，总共247个不同的随机数生成器。这些变体使用不同的门尺寸，从而产生不同的电路延迟，以探索每种风格的整个问题空间。

所有门均来自标准的0.18微米CMOS库，并自动布局。使用多路复用器允许为每种风格的生成器选择特定的变体。每种风格的所有变体还连接到异或（XOR）门网络，将该风格的所有变体组合成一个输出。这个XOR输出也成为风格多路复用器的输入之一。通过控制字可以选择任何单个变体或该风格变体的XOR值。

每种风格再输入到区域多路复用器，所有风格也进行XOR操作，为区域多路复用器创建另一个输入。通过控制字可以选择任何特定风格或所有九种风格的XOR组合。最终可以单独选择288种变体：
- 随机数生成器特定风格的特定变体
- 特