基于选择器实现的随机数产生电路、方法及芯片与流程

1.本技术属于集成电路的技术领域，涉及一种随机数产生电路，特别是涉及一种基于选择器实现的随机数产生电路、方法及芯片。


背景技术：

2.目前，在一个严重依赖电子产品的日益互联的世界中，安全性至关重要。现代电子产品几乎一致地依赖加密作为保护电子数据的主要方法，而随机数发生器更是加密算法的核心。当下，puf(physically unclonable function，物理不可克隆功能)已成为一种硬件安全技术，可提供从改进的密码术到ic(integrated circuit chip，集成电路)防伪的所有功能。
3.由于硅加工技术的不完善，所生产的每一块ic在物理上都是不同的。在不同的集成电路之间，这些工艺变化表现为不同的路径延迟、晶体管阈值电压、电压增益和无数其他的方式。
4.然而，虽然这些变化在不同的集成电路之间可能是随机的，但一旦知道，它们是确定的和可重复的。puf利用ic行为的这种内在差异，为每个ic生成一个唯一的加密密钥。
5.puf是目前安全解决方案中较新的一种技术,在所有的puf技术,sram(static random-access memory，静态随机存取存储器)puf是目前最为成熟的，但sram的puf所构成的随机数产生电路面积较大，成本偏高。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种基于选择器实现的随机数产生电路、方法及芯片，用于解决随机数产生电路面积较大，成本偏高的问题。
7.本技术实施例第一方面提供一种基于选择器实现的随机数产生电路，所述电路包括：第一选择器模块和第二选择器模块；选择器电压产生模块，分别与所述第一选择器模块和所述第二选择器模块连接，被配置为向所述第一选择器模块和所述第二选择器模块输入相同的电压；判定模块，分别与所述第一选择器模块的电压输出端和所述第二选择器模块的电压输出端连接，被配置为根据所述第一选择器模块的输出电压和所述第二选择器模块的输出电压判定出随机数产生结果；其中，因选择器不匹配，所述第一选择器模块和所述第二选择器模块的输出电压大小具有随机性。
8.在第一方面的一种实现方式中，所述选择器电压产生模块包括电容充电单元；所述电容充电单元包括充电电容；所述充电电容的充电电压作为所述选择器电压产生模块产生的电压，输入至所述第一选择器模块和所述第二选择器模块。
9.在第一方面的一种实现方式中，所述选择器电压产生模块包括电阻分压单元；所述电阻分压单元包括分压电阻；所述分压电阻的一端输入外部电压，另一端的电压作为所述选择器电压产生模块产生的电压，输入至所述第一选择器模块和所述第二选择器模块。
10.在第一方面的一种实现方式中，所述第一选择器模块包括第一选择器和第一电
阻，所述第二选择器模块包括第二选择器和第二电阻；所述第一选择器接收所述选择器电压产生模块的电压，与所述第一电阻共同分布于第一支路；所述第一选择器和所述第一电阻的连接点输出所述第一选择器模块的输出电压；所述第二选择器接收所述选择器电压产生模块的电压，与所述第二电阻共同分布于第二支路；所述第二选择器和所述第二电阻的连接点输出所述第二选择器模块的输出电压。
11.在第一方面的一种实现方式中，所述第一电阻和所述第二电阻的另一端均与地连接。
12.在第一方面的一种实现方式中，所述第一电阻和所述第二电阻的另一端均与一电流钳制单元连接；所述第一支路和所述第二支路并联，所述电流钳制单元串联于并联路径上。
13.在第一方面的一种实现方式中，所述电流钳制单元包括第二电流源或钳制mos管。
14.在第一方面的一种实现方式中，所述判定电路包括比较器单元或锁存比较单元；所述第一选择器模块的输出电压和所述第二选择器模块的输出电压传送至所述比较器单元或所述锁存比较单元的输入端，所述比较器单元或所述锁存比较单元判定输出随机数产生结果。
15.本技术实施例第二方面提供一种基于选择器实现的随机数产生方法，所述方法包括：向第一选择器模块和第二选择器模块输入相同的电压；根据所述第一选择器模块的输出电压和所述第二选择器模块的输出电压判定出随机数产生结果；其中，因选择器不匹配，所述第一选择器模块和所述第二选择器模块的输出电压大小具有随机性。
16.本技术实施例第三方面提供一种芯片，包括：所述的基于选择器实现的随机数产生电路。
17.如上所述，本技术所述的基于选择器实现的随机数产生电路、方法及芯片，具有以下有益效果：
18.本技术利用了两路选择器的不匹配性，使得最终输出电压大小具有随机性。进一步地，本技术利用reram 1tnr选择器构成随机数产生电路，与传统方案相比，电路面积占比极小，而且有效降低了成本。另一方面，本技术还提供了不同的选择器电压产生方式、不同形式判定电路以及不同形式的电流钳制电路，进而构成了多种不同组合形式的电路结构。
附图说明
19.图1显示为本技术实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路的结构原理图。
20.图2显示为本技术实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路的选择器电流电压曲线图。
21.图3显示为本技术第一实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路的电路原理图。
22.图4显示为本技术第一实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路的选择器施加电压的波形图。
23.图5显示为本技术第二实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路的电路原理图。
24.图6显示为本技术第三实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路的电路原理图。
25.图7显示为本技术第四实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路的电路原理图。
26.图8显示为本技术第五实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路的电路原理图。
27.图9显示为本技术第六实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路的电路原理图。
28.图10显示为本技术第七实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路的电路原理图。
29.图11显示为本技术实施例所述的基于选择器实现的随机数产生方法的原理流程图。
30.图12显示为本技术实施例所述的芯片的结构示意图。
31.元件标号说明
[0032]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
基于选择器实现的随机数产生电路
[0033]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一选择器模块
[0034]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二选择器模块
[0035]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
选择器电压产生模块
[0036]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
判定模块
[0037]
s11～s12 步骤
具体实施方式
[0038]
以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0039]
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，遂图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0040]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行详细描述。
[0041]
请参阅图1，显示为本技术实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路的结构原理图。如图1所示，本实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路1，包括：第一选择器模块11、第二选择器模块12、选择器电压产生模块13和判定模块14。
[0042]
于一实施例中，所述第一选择器模块11和所述第二选择器模块12中利用的选择器为reram(电阻式随机存取存储器)1tnr的选择器。请参阅图2，显示为本技术实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路的选择器电流电压曲线图。如图2所示，reram 1tnr的选
择器面积很小,为立体结构,具有双向二极体特性,其中，1tnr是指每个单元包含一个场效应管和n个reram或称rram电阻。结合图2的曲线特性，若同时加电压于两个选择器,通过选择器转态电压的局部不匹配,导通时间不同,因而输出结果具有随机性，也因此实现了puf特性。
[0043]
所述选择器电压产生模块13分别与所述第一选择器模块11和所述第二选择器模块12连接，被配置为向所述第一选择器模块11和所述第二选择器模块12输入相同的电压。
[0044]
所述判定模块14分别与所述第一选择器模块11的电压输出端和所述第二选择器模块12的电压输出端连接，被配置为根据所述第一选择器模块11的输出电压和所述第二选择器模块12的输出电压判定出随机数产生结果；其中，因选择器不匹配，所述第一选择器模块11和所述第二选择器模块12的输出电压大小具有随机性。
[0045]
于一实施例中，所述选择器电压产生模块包括电容充电单元。
[0046]
所述电容充电单元包括充电电容。
[0047]
所述充电电容的充电电压作为所述选择器电压产生模块产生的电压，输入至所述第一选择器模块和所述第二选择器模块。
[0048]
请参阅图3，显示为本技术第一实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路的电路原理图。如图3所示，所述选择器电压产生模块13包括电容充电单元。
[0049]
所述电容充电单元包括充电电容c。
[0050]
所述充电电容c的充电电压net p作为所述选择器电压产生模块13产生的电压，输入至所述第一选择器模块11和所述第二选择器模块12。
[0051]
请参阅图4，显示为本技术第一实施例所述的基于选择器实现的随机数产生电路的选择器施加电压的波形图。如图4所示，图3中iin为恒定电流对充电电容c进行充电,端点net p电压会上升。由于第一选择器模块和第二选择器模块中两个选择器的不匹配,其中之一的选择器会先导通,导通的那路电压会上升,判定模块会有不同的输出，此过程是随机的。
[0052]
于一实施例中，所述第一选择器模块包括第一选择器和第一电阻，所述第二选择器模块包括第二选择器和第二电阻。
[0053]
所述第一选择器接收所述选择器电压产生模块的电压，与所述第一电阻共同分布于第一支路；所述第一选择器和所述第一电阻的连接点输出所述第一选择器模块的输出电压。
[0054]
所述第二选择器接收所述选择器电压产生模块的电压，与所述第二电阻共同分布于第二支路；所述第二选择器和所述第二电阻的连接点输出所述第二选择器模块的输出电压。
[0055]
请继续参阅图3，所述第一选择器模块11包括第一选择器selector a和第一电阻ra，所述第二选择器模块包括第二选择器selector b和第二电阻rb。
[0056]
所述第一选择器selector a接收所述选择器电压产生模块13的电压(端点net p电压)，与所述第一电阻ra共同分布于第一支路；所述第一选择器selector a和所述第一电阻ra的连接点输出所述第一选择器模块的输出电压到比较器的负相输入端。所述第二选择器selector b接收所述选择器电压产生模块13的电压(端点net p电压)，与所述第二电阻rb共同分布于第二支路；所述第二选择器selector b和所述第二电阻rb的连接点输出所述
第二选择器模块的输出电压到比较器的正相输入端。
[0057]
于一实施例中，所述判定电路包括比较器单元或锁存比较单元。
[0058]
所述第一选择器模块的输出电压和所述第二选择器模块的输出电压传送至所述比较器单元或所述锁存比较单元的输入端，所述比较器单元或所述锁存比较单元判定输出随机数产生结果。
[0059]
请参阅图3、图6和图9，所述判定电路包括比较器单元。
[0060]
所述第一选择器模块11的输出电压和所述第二选择器模块12的输出电压传送至所述比较器单元的输入端，所述比较器单元判定输出随机数产生结果。
[0061]
请参阅图5、图7、图8和图10，所述判定电路包括锁存比较单元。具体地，锁存比较单元为q1和q2组成的latch型式电路，由此，所需组件比较少。
[0062]
所述第一选择器模块11的输出电压和所述第二选择器模块12的输出电压传送至所述锁存比较单元的输入端，所述锁存比较单元判定输出随机数产生结果。
[0063]
于一实施例中，所述第一电阻和所述第二电阻的另一端均与地连接。具体地，请参阅图3、图5、图9和图10。
[0064]
于另一实施例中，所述第一电阻和所述第二电阻的另一端均与一电流钳制单元连接；所述第一支路和所述第二支路并联，所述电流钳制单元串联于并联路径上。
[0065]
所述电流钳制单元包括第二电流源或钳制mos管。
[0066]
请参阅图6和图7，所述第一电阻ra和所述第二电阻rb的另一端均与一电流钳制单元连接；所述第一支路和所述第二支路并联，所述电流钳制单元串联于并联路径上。所述电流钳制单元为第二电流源ib。具体地，当端点net p电压上升,selector a与selector b其中之一的选择器会先导通,导通的那路电压会上升,此时恒定电流源ib用于钳制电流。
[0067]
请参阅图8，所述第一电阻ra和所述第二电阻rb的另一端均与一电流钳制单元连接；所述第一支路和所述第二支路并联，所述电流钳制单元串联于并联路径上。所述电流钳制单元为钳制mos管native nmos。具体地，native nmos是阈值约为0的组件，当端点net p电压上升,selector a与selector b其中之一的选择器会先导通,导通的那路电压会上升,此时native nmos用于钳制电流。
[0068]
于另一实施例中，所述选择器电压产生模块包括电阻分压单元。
[0069]
所述电阻分压单元包括分压电阻。
[0070]
所述分压电阻的一端输入外部电压，另一端的电压作为所述选择器电压产生模块产生的电压，输入至所述第一选择器模块和所述第二选择器模块。
[0071]
请参阅图9和图10，所述选择器电压产生模块包括电阻分压单元。
[0072]
所述电阻分压单元包括分压电阻r。
[0073]
所述分压电阻r的一端输入外部电压vin，另一端的电压(端点net p电压)作为所述选择器电压产生模块13产生的电压，输入至所述第一选择器模块11和所述第二选择器模块12。具体地，外部电压vin可以通过一电压源实现。
[0074]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的电路或方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的电路实施例仅是示意性的，例如，模块/单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或单元可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的
相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0075]
作为分离部件说明的模块/单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块/单元显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块/单元来实现本技术实施例的目的。例如，在本技术各个实施例中的各功能模块/单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块/单元单独物理存在，也可以两个或两个以上模块/单元集成在一个模块/单元中。
[0076]
本领域普通技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0077]
请参阅图11，显示为本技术实施例所述的基于选择器实现的随机数产生方法的原理流程图。如图11所示，本实施例所述的基于选择器实现的随机数产生方法，具体包括以下步骤：
[0078]
s11，向第一选择器模块和第二选择器模块输入相同的电压。
[0079]
s12，根据所述第一选择器模块的输出电压和所述第二选择器模块的输出电压判定出随机数产生结果；其中，因选择器不匹配，所述第一选择器模块和所述第二选择器模块的输出电压大小具有随机性。
[0080]
于实际应用中，可以利用基于选择器实现的随机数产生方法所得到的随机数产生结果作为加密数据，实现puf功能。具体地，在ic中包含本技术所述的两个选择器以及所述的基于选择器实现的随机数产生电路，puf利用本技术中两个选择器的局部不匹配，为每个ic生成一个唯一的加密密钥。
[0081]
本技术实施例所述的基于选择器实现的随机数产生方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本技术的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本技术的保护范围内。
[0082]
本技术实施例所述基于选择器实现的随机数产生电路可以实现本技术所述的基于选择器实现的随机数产生方法，但本技术所述的基于选择器实现的随机数产生方法的实现装置包括但不限于本实施例列举的基于选择器实现的随机数产生电路的结构，凡是根据本技术的原理所做的现有技术的结构变形和替换，都包括在本技术的保护范围内。
[0083]
请参阅图12，显示为本技术实施例所述的芯片的结构示意图。如图12所示，本实施例所提供的的芯片，包括：上述的基于选择器实现的随机数产生电路。
[0084]
所述基于选择器实现的随机数产生电路包括：第一选择器模块和第二选择器模块；选择器电压产生模块，分别与所述第一选择器模块和所述第二选择器模块连接，被配置为向所述第一选择器模块和所述第二选择器模块输入相同的电压；判定模块，分别与所述第一选择器模块的电压输出端和所述第二选择器模块的电压输出端连接，被配置为根据所述第一选择器模块的输出电压和所述第二选择器模块的输出电压判定出随机数产生结果；
其中，因选择器不匹配，所述第一选择器模块和所述第二选择器模块的输出电压大小具有随机性。
[0085]
上述各个附图对应的流程或结构的描述各有侧重，某个流程或结构中没有详述的部分，可以参见其他流程或结构的相关描述。
[0086]
上述实施例仅例示性说明本技术的原理及其功效，而非用于限制本技术。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本技术的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本技术所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本技术的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种基于选择器实现的随机数产生电路，其特征在于，所述电路包括：第一选择器模块和第二选择器模块；选择器电压产生模块，分别与所述第一选择器模块和所述第二选择器模块连接，被配置为向所述第一选择器模块和所述第二选择器模块输入相同的电压；判定模块，分别与所述第一选择器模块的电压输出端和所述第二选择器模块的电压输出端连接，被配置为根据所述第一选择器模块的输出电压和所述第二选择器模块的输出电压判定出随机数产生结果；其中，因选择器不匹配，所述第一选择器模块和所述第二选择器模块的输出电压大小具有随机性。2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述选择器电压产生模块包括电容充电单元；所述电容充电单元包括充电电容；所述充电电容的充电电压作为所述选择器电压产生模块产生的电压，输入至所述第一选择器模块和所述第二选择器模块。3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述选择器电压产生模块包括电阻分压单元；所述电阻分压单元包括分压电阻；所述分压电阻的一端输入外部电压，另一端的电压作为所述选择器电压产生模块产生的电压，输入至所述第一选择器模块和所述第二选择器模块。4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一选择器模块包括第一选择器和第一电阻，所述第二选择器模块包括第二选择器和第二电阻；所述第一选择器接收所述选择器电压产生模块的电压，与所述第一电阻共同分布于第一支路；所述第一选择器和所述第一电阻的连接点输出所述第一选择器模块的输出电压；所述第二选择器接收所述选择器电压产生模块的电压，与所述第二电阻共同分布于第二支路；所述第二选择器和所述第二电阻的连接点输出所述第二选择器模块的输出电压。5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于：所述第一电阻和所述第二电阻的另一端均与地连接。6.根据权利要求4所述的电路，其特征在于：所述第一电阻和所述第二电阻的另一端均与一电流钳制单元连接；所述第一支路和所述第二支路并联，所述电流钳制单元串联于并联路径上。7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于：所述电流钳制单元包括第二电流源或钳制mos管。8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述判定电路包括比较器单元或锁存比较单元；所述第一选择器模块的输出电压和所述第二选择器模块的输出电压传送至所述比较器单元或所述锁存比较单元的输入端，所述比较器单元或所述锁存比较单元判定输出随机数产生结果。9.一种基于选择器实现的随机数产生方法，其特征在于，所述方法包括：向第一选择器模块和第二选择器模块输入相同的电压；根据所述第一选择器模块的输出电压和所述第二选择器模块的输出电压判定出随机
数产生结果；其中，因选择器不匹配，所述第一选择器模块和所述第二选择器模块的输出电压大小具有随机性。10.一种芯片，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一项所述的基于选择器实现的随机数产生电路。

技术总结
本申请提供一种基于选择器实现的随机数产生电路、方法及芯片，所述电路包括：第一选择器模块和第二选择器模块；选择器电压产生模块，分别与所述第一选择器模块和所述第二选择器模块连接，被配置为向所述第一选择器模块和所述第二选择器模块输入相同的电压；判定模块，分别与所述第一选择器模块的电压输出端和所述第二选择器模块的电压输出端连接，被配置为根据所述第一选择器模块的输出电压和所述第二选择器模块的输出电压判定出随机数产生结果；其中，因选择器不匹配，所述第一选择器模块和所述第二选择器模块的输出电压大小具有随机性。本申请利用选择器局部不匹配实现了随机数的产生。机数的产生。机数的产生。


技术研发人员：方燕枝
受保护的技术使用者：昕原半导体(上海)有限公司
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/9/7