АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ

Евгений В. Лысенко, Вячеслав В. Теленков, Дарья В. Лагутенко, Екатерина В. Мещерякова

Аннотация


В работе представлена реализация и комплексное исследование семейства генераторов случайных чисел (ГСЧ), ориентированных на применение в современных криптографических системах высокой надежности. Разработан и протестирован в кремнии ряд аппаратных генераторов случайных чисел (АГСЧ) на основе кольцевых генераторов на КМОП-транзисторах, функционирующих в строгом соответствии с построенной физико-математической моделью фазового шума «джиттера». Параллельно разработаны генераторы псевдослучайных случайных чисел (ГПСЧ), интегрирующие различные детерминированные алгоритмы. Экспериментальные образцы интегральных схем были успешно изготовлены на отечественной фабрике ООО «НМ-Тех» по технологическим процессам C130G (130 нм) и C250G (250 нм). Проведен детальный статистический анализ полученных случайных последовательностей с применением стандартных тестовых пакетов. Результаты подтверждают высокое качество генерируемых бинарных последовательностей и применимость разработанных блоков в качестве аппаратного корня доверия (Root of Trust).


Ключевые слова


генератор случайных чисел, КМОП транзистор, кольцевой генератор, физико-математическая модель, системы аутентификации, корень доверия

Полный текст:

PDF

Литература


1. Brown, J., Zhang, J., Zhou, B. et al. Random-telegraph-noise-enabled true random number generator for hardware security. Sci Rep 10, 17210 (2020). DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-020-74351-y.

2. Harrison, R. C., Rhea, B. K., Oldag, A., Dean, R. N., & Perkins, E. (2022). Experimental Validation of a Chaotic Jerk Circuit Based True Random Number Generator. Chaos Theory and Applications, 4(2), 64-70. DOI: https://doi.org/10.51537/chaos.1112243

3. Taneja S. and Alioto M. Fully Synthesizable Unified True Random Number Generator and Cryptographic Core. IEEE Journal of Solid-State Circuits, v. 56, no. 10, pp. 3049-3061, Oct. 2021. DOI: https://doi.org/10.1109/JSSC.2021.3090247.

4. Yang K., Fick D., Henry M.B., Lee Y., Blaauw D. and Sylvester D. 16.3 A 23Mb/s 23pJ/b fully synthesized true-random-number generator in 28nm and 65nm CMOS," 2014 IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC), San Francisco, CA, USA, 2014, pp. 280-281. DOI: https://doi.org/10.1109/ISSCC.2014.6757434.

5. Cao, Y., Wang, R. and Huang, Z. (2023), A lightweight true random number generator based on multi-stage sampling the current starve based ring oscillator. Electron. Lett., 59: e13018. DOI: https://doi.org/10.1049/ell2.13018.

6. Abidi A.A. Phase Noise and Jitter in CMOS Ring Oscillators. IEEE Journal of Solid-State Circuits, v. 41, no. 8, pp. 1803-1816, Aug. 2006. DOI: https://doi.org/10.1109/JSSC.2006.876206.

7. Peetermans A. and Verbauwhede I. Characterization of Oscillator Phase Noise Arising From Multiple Sources for ASIC True Random Number Generation. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, v. 71, no. 3, pp. 1144-1157, March 2024, DOI: https://doi.org/10.1109/TCSI.2023.3343114.

8. Benea, L., Carmona, M., Fischer, V., Pebay-Peyroula, F., & Wacquez, R. (2024). Impact of the Flicker Noise on the Ring Oscillator-based TRNGs. IACR Transactions on Cryptographic Hardware and Embedded Systems, 2024(2), 870-889. DOI: https://doi.org/10.46586/tches.v2024.i2.870-889.

9. Nguyen, N., Kaddoum, G., Pareschi, F. et al. A fully CMOS true random number generator based on hidden attractor hyperchaotic system. Nonlinear Dyn 102, 2887–2904 (2020). DOI: https://doi.org/10.1007/s11071-020-06017-3.

10. Stojanovski T. and Kocarev L. Chaos-based random number generators-part I: analysis [cryptography]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, v. 48, no. 3, pp. 281-288, March 2001. DOI: https://doi.org/10.1109/81.915385.

11. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. Москва: Изд-во иностранной литературы, 1963. – 829 с. Shannon C. Works on information theory and cybernetics. Moscow: Izd-vo inostrannoy literatury, 1963. 829 p. (in Russian).

12. Арбеков И.М., Молотков С.Н. Квантовые генераторы случайных чисел, экстракция доказуемо случайных битовых последовательностей из траекторий цепи Маркова. УФН 194 974–993 (2024). DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.2024.02.039658.
Arbekov I.M., Molotkov S.N. Quantum random number generators, extraction of provably random bit sequences from Markov chain trajectories" Phys. Usp. 67 919–937 (2024). DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.2024.02.039658 (in Russian).




DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2026.4.14

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.