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基于亚稳态叠加单元的高吞吐量真随机数发生器设计

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

True Random Number Generator(TRNG)Entropy source superpositionMetastabilityThroughput

倪天明、俞俊勇、彭青松、聂牧

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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

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真随机数发生器 熵源叠加 亚稳态 吞吐量

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2024

10.11999/JEIT231166

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

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CSTPCD北大核心
影响因子：1.302
ISSN：1009-5896
年,卷(期)：2024.46(5)