用振蕩器采樣隨機數發(fā)生器保證網(wǎng)絡(luò )SoC設計加密算法的安全性

　　使用振蕩器采樣法

　　選用振蕩器采樣法來(lái)設計隨機數發(fā)生器的設計人員還必須考慮其它一些實(shí)施問(wèn)題，所選振蕩器的類(lèi)型也會(huì )影響整個(gè)系統設計的固有隨機性。此外，為了保證相關(guān)噪聲源不會(huì )降低系統隨機性，必須仔細選擇振蕩器，這必然又會(huì )增加器件電路布局的復雜性。作為一種補償，可采用數字后處理技術(shù)來(lái)降低設計風(fēng)險并保留系統的隨機性。

　　在考慮實(shí)施振蕩器采樣法時(shí)，設計人員可從幾種不同類(lèi)型的振蕩器中進(jìn)行選擇，包括差分振蕩器、單端振蕩器及混合振蕩器，不同類(lèi)型振蕩器對不同噪聲源的敏感度也不一樣。顯而易見(jiàn)，不同振蕩器的特性比較需要豐富的知識，本文在此只作簡(jiǎn)單討論。

　　通常，差分振蕩器對電源及基底噪聲的敏感度不如單端振蕩器。這是因為差分放大器對的電源和接地點(diǎn)會(huì )同時(shí)出現電壓擺動(dòng)，所以?xún)蓚€(gè)輸入之間的差值保持一致，輸出也一致，呈現出較高的共模抑制比(CMRR)。差分邏輯常用于模擬邏輯壓控振蕩器設計中，例如鎖相環(huán)中的振蕩器，因為鎖相環(huán)需要較高的CMRR，所以差分振蕩器方案并不特別適用于那些需要非確定噪聲源的設計。另一方面，單端反相振蕩器極易受電壓擺動(dòng)或輸入信號中直流分量的影響，如果噪聲對電平帶來(lái)任何波動(dòng)，都會(huì )影響振蕩器的抖動(dòng)。此外，差分、感容及張弛振蕩器設計需要客戶(hù)定制的電路布局，所以無(wú)法集成到標準單元的SoC設計中。因此，在SoC設計中最簡(jiǎn)單直接的解決方案通常是單端環(huán)形振蕩器(圖4)。

　　盡管單端環(huán)形振蕩器有這樣的優(yōu)勢，在選用時(shí)還是有一些復雜因素必須考慮。由于高速數字系統存在切換動(dòng)作，因此熱噪聲與電源/基底噪聲相比一般可以忽略不計。電源和基底噪聲是引起噪聲耦合的主要原因，噪聲耦合的振蕩器在反相電路中會(huì )產(chǎn)生δ延遲。電源電壓變化或來(lái)自基底耦合的噪聲會(huì )改變每級電路輸出節點(diǎn)的電容，從而使振蕩器的總頻率不斷改變。此外，除熱噪聲外，所有環(huán)形振蕩器延遲電路級中的電源和基底噪聲都是相關(guān)的，所以如果沒(méi)有牢靠的接地環(huán)保護電路，設計人員都不希望讓兩個(gè)振蕩器電路靠得太近。如果屏蔽不是很好，會(huì )造成兩個(gè)位流源之間的隨機性相互關(guān)聯(lián)。在最終的振蕩器設計中，所有這些因素都必須要考慮到。

　　此外，就算設計人員有良好的意愿，實(shí)施方案也可能無(wú)法產(chǎn)生真正的隨機位流。設計人員或許要借助一些成本高昂的額外測試來(lái)保證隨機數發(fā)生器系統能產(chǎn)生期望的結果。如前所述，隨機性主要來(lái)自電源和基底噪聲與振蕩器電路的耦合，由于這些振蕩器會(huì )耦合同一個(gè)噪聲源，因此設計人員不希望將它們靠得太近。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，如果兩個(gè)振蕩器鎖定在同一個(gè)噪聲源上并相互耦合，那么它們之間的相關(guān)性也會(huì )增加，從而使兩個(gè)源的隨機輸出相互關(guān)聯(lián)。如果在最終布局上將兩個(gè)振蕩器分開(kāi)，電源和基底噪聲的相關(guān)效應便可減輕。

　　采用振蕩器采樣法的一種常見(jiàn)做法是多設計一對振蕩器，萬(wàn)一主隨機源失效了，它還可以降低RNG系統沒(méi)有非確定性噪聲源的風(fēng)險，隨后通過(guò)一個(gè)強大的混合函數將采樣位流進(jìn)行混合，以便保留各個(gè)源固有的隨機性，這一點(diǎn)將在后面詳述。為了從混合位流中獲得更好的隨機性，必須給各振蕩器選擇一個(gè)獨特的主標稱(chēng)頻率，或者使其頻率能夠調節，這可盡量減少多個(gè)源之間的互相關(guān)性。當然，設計者必須權衡考慮，要么接受額外成本，要么承擔不能生成真正隨機數的風(fēng)險。

　　偏差糾正器

　　振蕩器采樣法的工作基于這樣一個(gè)事實(shí)，即高頻振蕩器一直保持50%的占空比，而低頻振蕩器每個(gè)周期都有明顯變化。如果情況不是這樣(盡管絕大部分情況下是這樣)，所獲得的位碼便會(huì )出現偏差，既可能是“1”，也可能是“0”，這稱(chēng)為偏移。幸運的是我們可以采取有效的后處理方法來(lái)糾正偏差，以一種確定的方式產(chǎn)生分布更均勻的位流。其中兩種最簡(jiǎn)單的技術(shù)分別稱(chēng)為奇偶生成和轉換映射，此外還有一些較復雜的偏差糾正方法，包括使用快速傅利葉變換函數和更復雜的位混排技術(shù)，它們通常采用延遲元件和反饋通路組合來(lái)去除位與位之間的相關(guān)性。

　　偏差糾正的目標是對位流進(jìn)行均衡分配，以便以相同的概率產(chǎn)生“1”和“0”，其做法基本上是從有偏差的位序列中提取出更隨機的數值。這種后處理功能并非振蕩器采樣技術(shù)所獨有，其應用對原始噪聲源沒(méi)有要求，要實(shí)現這種功能也并不復雜。一種簡(jiǎn)單方法是奇偶生成，它具有魯棒性強的優(yōu)點(diǎn)，可用于更大范圍的偏差分布。用硬件來(lái)實(shí)現固定長(cháng)度位采樣序列一般非常簡(jiǎn)單，例如簡(jiǎn)單的級聯(lián)XOR鏈便可有效用作一個(gè)奇偶生成器并完成適當的偏差糾正(圖5)。

　　轉換映射也叫做馮·諾依曼糾正器，它將一對采樣輸入位轉換成一個(gè)輸出位，例如把輸入對[0，1]轉換成1，把[1，0]轉換成0，而在輸入為[0，0]或[1，1]時(shí)什么也不輸出。這種技術(shù)可以完全消除偏差，但其代價(jià)是必須在輸入位之間創(chuàng )建一個(gè)不定量的延遲，并產(chǎn)生一個(gè)輸出位長(cháng)的任意數。