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低功耗随机数后处理部件设计

作　者: 谢表铭
导　师: 沈海斌
学　校: 浙江大学
专　业: 电路与系统
关键词: 随机数后处理低功耗极低电压硬件实现信息安全
分类号: TN402
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 7次
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内容摘要

随着这几年计算机技术和信息通信技术的迅猛发展,信息在传递、处理、存储过程中存在的安全问题引起了人们普遍的关注。信息安全领域里面,其中最为核心最迫切需要解决的问题就是如何制作高质量高安全性的随机数发生器(RNG:Random Number Generator)芯片,以及如何设计更加安全的随机数后处理单元来加强产生的随机数序列的真随机性。由于计算机通过本身软件算法产生的随机数并非是真正的随机序列,很容易被破解,所以也只能称之为伪随机序列。而若要产生真正的随机序列,则必须通过硬件的方法来实现。但是目前的随机数后处理单元还存在着一些问题,比如功耗问题、数据处理效率低等问题,低功耗的、高效的后处理设计也逐步的出现在芯片的设计考虑中。基于SMIC65nm Logic工艺设计,本文在传统的随机数后处理方法中引入了新的设计单元,提出了一种将新型的随机数后处理单元结合低功耗设计的思想,从而能够解决上述提到的问题。该设计方法在功耗方面可以大大的减少对于电源的要求,采用极低的工作电压工作,对于移动设备,能够大大的延长电池寿命。同时,新型的随机数后处理单元能够同时处理多路的随机源输出序列,极大的提高了处理效率,减少了随机源序列的数据缺失,从而保证足够的输出速率。在硬件实现阶段,虽然低电压工作能够极大的降低功耗,但是也应该充分考虑到极低电压工作下的各个标准单元的延时问题。在实验仿真阶段,首先分析各个标准单元的延时参数,另外特殊器件如触发器的建立时间保持时间等参数,最后再给出了极低电压下工作的数字标准单元电路结构并且与传统的结构进行对比。文章最后采用Synopsys的H-spice软件对整体的电路结构进行仿真测试,由于单单后处理单元不能够体现出随机序列的随机性,所以加入了随机源作为后处理单元的输入序列,最终以是否加后处理单元来进行输出序列的对比,从而验证该新型后处理单元的高效性。另外的功耗验证也进行了适当的对比,由于电路工作在亚闽值区域,所以电流下降了几个数量级。所以得出的结论是在不需要高速度的应用场合下,该工作在极低电压下的新型随机数后处理单元能够很好的降低系统功耗并且提高对随机源序列的处理效率。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
图索引  12-13
表索引  13-14
1 绪论  14-19
  1.1 低功耗设计技术简介  14-15
    1.1.1 低功耗设计技术发展综述  14-15
    1.1.2 低功耗设计技术国内外现状与趋势  15
  1.2 随机数后处理技术简介  15-17
    1.2.1 现有的后处理设计方案  16-17
  1.3 论文研究意义及创新点  17-18
    1.3.1 研究意义  17
    1.3.2 创新点  17-18
  1.4 论文的主要研究内容与论文结构  18-19
2 低功耗以及后处理单元的基本理论及原理  19-25
  2.1 当前低功耗技术的基本原理  19-21
    2.1.1 功耗的来源  19-20
    2.1.2 层次化的低功耗设计  20-21
  2.2 随机数后处理单元基本理论  21
  2.3 高阶LFSR的理论研究  21-24
    2.3.1 LFSR的理论基础分析  22-23
    2.3.2 LFSR后处理算法的安全性分析  23-24
  2.4 本章小结  24-25
3 低功耗后处理单元的硬件实现  25-40
  3.1 亚阈值导电性  25-26
  3.2 极低电压下工作的反相器  26-29
    3.2.1 反相器延时  26-27
    3.2.2 反相器的传输曲线  27-29
    3.2.3 反向器的具体实现  29
  3.3 极低电压下工作的异或门  29-32
  3.4 触发器单元  32-35
  3.5 极低电压工作下的SRAM设计  35-36
  3.6 随机源电路的简单实现  36-37
  3.7 电路结构的整体实现  37-39
  3.8 本章小结  39-40
4 实验结果与分析讨论  40-48
  4.1 仿真环境  40-41
  4.2 各单元仿真  41-46
    4.2.1 反相器的性能仿真  41-42
    4.2.2 异或门的性能仿真  42
    4.2.3 C~2MOS寄存器的性能仿真  42-44
    4.2.4 整体后处理单元的仿真分析  44-46
  4.3 本章小结  46-48
5 总结和展望  48-50
参考文献  50-54
作者简介  54-55
作者攻读硕士学位期间发表的论文  55

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