电子与信息学报2024,Vol.46Issue(5) :2289-2297.DOI:10.11999/JEIT231166

基于亚稳态叠加单元的高吞吐量真随机数发生器设计

Design of High Throughput True Random Number Generator Based on Metastability Superposition Cells

倪天明 俞俊勇 彭青松 聂牧
电子与信息学报2024,Vol.46Issue(5) :2289-2297.DOI:10.11999/JEIT231166

基于亚稳态叠加单元的高吞吐量真随机数发生器设计

Design of High Throughput True Random Number Generator Based on Metastability Superposition Cells

倪天明 1俞俊勇 1彭青松 2聂牧1
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作者信息

  • 1. 安徽工程大学集成电路学院 芜湖 241000;安徽省车载显示集成系统工程研究中心 芜湖 241000;触控显示材料与器件安徽省联合共建学科重点实验室 芜湖 241000
  • 2. 合肥工业大学微电子学院 合肥 230000
  • 折叠

摘要

真随机数发生器(TRNG)作为一类重要的硬件安全原语,在密钥生成、初始化向量和协议中的身份认证等加密领域得到应用.为设计出高吞吐量的轻量级TRNG,该文研究了利用多路选择器(MUX)和异或门(XOR gate)的开关特性来产生亚稳态的方法,提出一种基于亚稳态叠加单元(MS-cell)的TRNG(MS-TRNG)设计.它将MUX和异或门触发的亚稳态进行叠加,从而提高TRNG的熵.所提TRNG分别在Xilinx Virtex-7和Xilinx Artix-7 FPGA开发板中实现,无需后处理电路.与其他先进的TRNG相比,所提TRNG具有最高的吞吐量和极低的硬件开销,并且它所生成的随机序列通过了NIST测试和一系列性能测试.

Abstract

True Random Number Generator(TRNG),as an important hardware security primitive,is used in key generation,initialization vector and identity authentication in protocols.In order to design a lightweight TRNG with high throughput,the method of generating metastability is studied by using the switching characteristics of MUltipleXer(MUX)and XOR gate,and a TRNG design based on Metastability Superposition(MS-TRNG)cell(MS-cell)is proposed.It superimposes MUX and XOR gate guided metastases,thereby increasing the entropy of TRNG.The proposed TRNG is implemented in Xilinx Virtex-7 and Xilinx Artix-7 FPGA development boards,respectively,without the need for post-processing circuits.Compared to other advanced TRNGS,the proposed TRNG has the highest throughput and extremely low hardware overhead,and the random sequences it generates pass NIST testing and a series of performance tests.

关键词

真随机数发生器/熵源叠加/亚稳态/吞吐量

Key words

True Random Number Generator(TRNG)/Entropy source superposition/Metastability/Throughput

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基金项目

国家自然科学基金(62174001)

国家自然科学基金(62274052)

国家自然科学基金(61974001)

国家自然科学基金(62311540021)

安徽省自然科学基金(2208085J02)

安徽省重点研发项目(202104b11020032)

安徽省高等学校优秀科研创新团队项目(2022AH010059)

安徽省教育厅杰出青年学者基金(2022AH020014)

出版年

2024
电子与信息学报
中国科学院电子学研究所 国家自然科学基金委员会信息科学部

电子与信息学报

CSTPCDCSCD北大核心
影响因子:1.302
ISSN:1009-5896
参考文献量26
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