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TWI729075B - 用於產生隨機數的設備及方法 - Google Patents

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TWI729075B
TWI729075B TW106105678A TW106105678A TWI729075B TW I729075 B TWI729075 B TW I729075B TW 106105678 A TW106105678 A TW 106105678A TW 106105678 A TW106105678 A TW 106105678A TW I729075 B TWI729075 B TW I729075B
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露西安 席芙蘭
羅伯特坎貝爾 阿金
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Abstract

依據本揭示案之實施例，提供了設備及方法。該設備包括一或更多個電阻式隨機存取記憶體（ReRAM）構件。該設備更包括一隨機數產生器，該隨機數產生器被配置為取決於該一或更多個ReRAM構件的阻抗值來產生一隨機數。

Description

用於產生隨機數的設備及方法
本揭示案關於隨機數產生器。
隨機數產生器可被了解為用於以隨機方式產生數字的設備。隨機數產生器用在各種技術領域中。例如，隨機數產生器可實施在遊戲產業中以產生隨機數。在另一實例中，隨機數產生器可用在加密系統中以產生隨機數，該等隨機數可接著被用作加密演算法的種子。此類隨機數產生器一般是基於演算法的，且因此易受由惡意的第三方進行的攻擊。其結果是，實施如此隨機數產生器之系統的安全性是有風險的。
依據本技術的第一態樣，提供了一種設備。該設備包括一或更多個電阻式隨機存取記憶體（ReRAM）構件。該設備更包括一隨機數產生器，該隨機數產生器被配置為取決於該或各ReRAM構件的一阻抗值來產生一隨機數。
依據本技術的第二態樣，提供了一種用於產生隨機數的方法。該方法包括以下步驟：將一編程訊號施用於一或更多個電阻式隨機存取記憶體（ReRAM）構件。該方法更包括以下步驟：決定該或各ReRAM構件的一阻抗值；及基於該一或更多個ReRAM構件的該等經決定阻抗值來產生一隨機數。
以下特徵同等地施用於兩個態樣。
該隨機數產生器可更被配置為決定一或更多個輸出節點處的該阻抗值，各輸出節點耦合至該一或更多個ReRAM構件的至少一個ReRAM構件，其中各輸出節點處的一阻抗值取決於該各別的至少一個ReRAM構件的阻抗值。
在實施例中，該隨機數產生器可被配置為量測該一或更多個輸出節點處之一電流訊號、一電壓訊號或一時間延遲中的至少一者以決定該一或更多個輸出節點處的該阻抗值。
在實施例中，該設備可更包括一控制電路，該控制電路被配置為向該一或更多個ReRAM構件的至少一個ReRAM構件提供一編程訊號以配置該至少一個ReRAM構件的一阻抗狀態。該編程訊號可為一電壓訊號。在實施例中，該控制電路可更被配置為變化該編程訊號之一振幅及一脈衝寬度中的至少一者。
該或各ReRAM構件可包括以下中的一者：一過渡金屬氧化物、一硫族化物、一鈣鈦礦、一或更多個奈米管、一非晶質氧化物、一非晶半導體及一多晶半導體。
該ReRAM構件或該等ReRAM構件中的至少一者可為以下中的任何一者：一相變ReRAM、一導電橋ReRAM、一基於過渡金屬氧化物的ReRAM及一基於奈米管的ReRAM。
在實施例中，可以一矩陣配置佈置該一或更多個ReRAM構件。附加性或替代性地，可以一交叉點結構配置佈置該一或更多個ReRAM構件。附加性或替代性地，可以一n維陣列佈置該一或更多個ReRAM構件。
施用該編程訊號的該步驟可包括變化該編程訊號之一振幅及一脈衝寬度中的至少一者。
決定該阻抗值的該步驟可包括量測一或更多個輸出節點處之一電流訊號、一電壓訊號或一時間延遲中的至少一者，其中各輸出節點耦合至至少一個ReRAM構件。
概括地說，本技術關於用於產生隨機數的設備及方法。依據一實施例，用於產生隨機數的設備包括一或更多個電阻式隨機存取記憶體（ReRAM）構件。該一或更多個ReRAM構件可包括展現隨機切換行為的任何類型的ReRAM構件。例如，在將編程訊號施用於ReRAM構件中的一者以將ReRAM構件編程至複數個阻抗狀態中的一者時，是依據隨機程序來決定ReRAM構件的相對應阻抗值。本揭示案利用ReRAM的此隨機行為來產生隨機數。是使用該一或更多個ReRAM構件的隨機（隨機地決定的）阻抗值來產生隨機數。因為本技術利用ReRAM構件之物理特性的隨機本質來產生隨機數，預測該隨機數是極不可能的。從而，極大地強化了隨機數產生器的整體的安全性及整體性。
現參照繪圖，圖1繪示用於產生隨機數的示例性設備100。設備100可實施在各種領域中，例如實施在使用者鑑定、密碼系統、遊戲系統等等中。
在一實施例中，設備100包括一或更多個ReRAM構件102-1、102-2、102-3、...、102-N（統稱為ReRAM構件102）、控制電路104及隨機數產生器106。設備100可用以產生M位元隨機數，其中M為整數。進一步地，M大於或等於一，且小於或等於N（ReRAM構件的數量）。ReRAM構件102可被佈置為提供一或更多個輸出節點108-1、108-2、...、108-P。在一實施例中，輸出節點（P）的數量等於M。在另一實施例中，P小於M。可以各種配置（例如矩陣、交叉點結構、n維陣列或任何其他需要的配置）來佈置ReRAM構件102。各ReRAM構件102-n可直接或間接耦合至該一或更多個輸出節點108中的一或更多者。ReRAM構件102可包括以下中的任何一者：過渡金屬氧化物、硫族化物、鈣鈦礦、一或更多個奈米管、非晶質氧化物、非晶半導體及多晶半導體。設備100內所提供的ReRAM構件102可為相同類型或可為不同類型。ReRAM構件的類型可包括（不限於）相變ReRAM、導電橋ReRAM、基於過渡金屬氧化物的ReRAM、基於奈米管的ReRAM或如本文中所述展現隨機切換行為的任何類型的ReRAM構件。
控制電路104被配置為向ReRAM構件102的至少一個ReRAM構件102-n施用編程訊號以將該至少一個ReRAM構件102-n編程至複數個阻抗狀態的一個阻抗狀態。在一實施例中，該複數個阻抗狀態包括高阻抗狀態及低阻抗狀態。進一步地，阻抗狀態可為電阻狀態。凡設備100包括至少兩個ReRAM構件102，控制電路104可被配置為依需要將各ReRAM構件102-n編程至相同阻抗狀態或不同阻抗狀態。進一步地，在每次運作期間，控制電路104可被配置為依需要將該或各ReRAM構件102-n編程至相同阻抗狀態或不同阻抗狀態。可取決於該或各ReRAM構件102-n的類型來設定編程訊號。
取決於編程訊號，該至少一個ReRAM構件102-n切換至相對應的阻抗狀態。因為該至少一個ReRAM構件102-n展現隨機切換行為，該至少一個ReRAM構件102-n達到隨機的阻抗值。因為該一或更多個輸出節點108處的阻抗值取決於連接（直接或間接）至一或更多個輸出節點108中之各別一者之ReRAM構件的阻抗值，該一或更多個輸出節點108處的阻抗值亦是隨機的。隨機數產生器106被配置為量測該一或更多個輸出節點108處的阻抗值。在一實施例中，隨機數產生器106藉由將已知電流訊號施用於該一或更多個輸出節點108及量測該一或更多個輸出節點108處的造成的電壓，來量測該一或更多個輸出節點108處的阻抗值。附加性或替代性地，隨機數產生器106藉由在該一或更多個輸出節點108處施用已知電壓訊號及量測該一或更多個輸出節點108處的造成的電流，來量測該一或更多個輸出節點108處的阻抗值。在一實施例中，隨機數產生器106藉由例如使用RC電路量測該一或更多個輸出節點108處之取決於阻抗的時間延遲值，來量測該一或更多個輸出節點108處的阻抗值。亦可使用用於量測阻抗值的其他習知技術。進一步地，隨機數產生器106被配置為使用本領域中習知的傳統技術基於該一或更多個輸出節點108處之經量測阻抗來產生隨機數。因此而產生的隨機數可用作種子來產生進一步的隨機數，藉此強化整體系統的隨機性。因為該一或更多個輸出節點108處之造成的阻抗值是隨機的，每次可產生獨一的隨機數。
每次需要產生隨機數，控制電路104將所需的編程訊號施用於該一或更多個ReRAM構件102。取決於編程訊號，各ReRAM構件102-n隨機地達到阻抗值。從而，該一或更多個輸出節點108處的經量測阻抗值每次是不同的。其結果是，獨一的隨機數被隨機數產生器106產生。
在一實施例中，ReRAM構件102之阻抗值的隨機程度取決於編程訊號的振幅、脈衝寬度或振幅及脈衝寬度兩者。因此，依據一實施例，控制電路104可被配置為變化編程訊號之振幅及脈衝寬度中的至少一者以變更ReRAM構件之阻抗值的隨機程度。
在一實施例中，可個別地使用各ReRAM構件來產生一個隨機位元。在一實施例中，可個別地使用各ReRAM構件來產生多於一個的隨機位元。在一實施例中，多於一個的ReRAM構件可用以產生一個隨機位元，因為多於一個ReRAM構件的組合相較於由單一ReRAM構件所展現的隨機性展現了更多的隨機性，藉此強化了設備100的整體效能。在一實施例中，二或更多個ReRAM構件用以產生多於一個的隨機位元。
現參照圖2詳細描述用於產生隨機數的方法。如此，所描繪的順序及標示的步驟係指示所呈現之方法的一個實施例。可設想在所繪示方法之一或更多個步驟或其部分的功能、邏輯或效果上等效的其他步驟及方法。此外，所採用的格式及符號被提供來解釋方法的邏輯步驟，且被了解為不限制方法的範圍。
參照圖2，繪示了用於產生隨機數的示例性方法200。於步驟S202處，編程訊號施用於設備100的該或各ReRAM構件。基於所施用的編程訊號，該一或更多個ReRAM構件能夠被配置成複數個阻抗狀態中的一者。在一實施例中，該複數個阻抗狀態包括高阻抗狀態及低阻抗狀態。進一步地，該一或更多個ReRAM構件展現隨機切換行為。亦即，給定阻抗狀態下之該一或更多個ReRAM構件之各ReRAM構件的阻抗值是隨機的。
在一實施例中，可以經定義的配置佈置ReRAM構件。例如，可以矩陣佈置ReRAM構件。在另一實例中，可以交叉點結構佈置ReRAM構件。在又另一實例中，可以n維陣列佈置ReRAM構件。
於步驟S204處，由隨機數產生器106量測（或以其他方式決定）該或各ReRAM構件的阻抗值。於步驟S206處，基於該一或更多個ReRAM構件的經量測阻抗值來產生隨機數。在一實施例中，可決定一或更多個輸出節點處的阻抗值，且可基於該一或更多個輸出節點處的阻抗值來產生隨機數。該一或更多個輸出節點處的阻抗值取決於該一或更多個ReRAM構件的阻抗值及該一或更多個ReRAM構件的配置。在一實施例中，可藉由將已知電流訊號施用於該一或更多個輸出節點及量測該一或更多個輸出節點處的造成的電壓，來決定該一或更多個輸出節點處的阻抗值。在一實施例中，可藉由將已知電壓訊號施用於該一或更多個輸出節點及量測該一或更多個輸出節點處的造成的電流，來決定該一或更多個輸出節點處的阻抗值。在一實施例中，可藉由量測該一或更多個輸出節點處之取決於阻抗的時間延遲值（例如使用RC電路），來決定該一或更多個輸出節點處的阻抗值。亦可使用用於決定阻抗值的其他習知技術。
可選地，所產生的隨機數可用作種子以產生進一步的隨機數（步驟S208）。如此可強化整體隨機數產生程序的隨機性。
可選地，在實施例中，可在程序中採用學習階段來產生隨機數。在學習階段中，可使用傳統測試方法來決定用以達成所需隨機性之編程訊號的最佳參數（脈衝寬度及/或振幅）（步驟S201）。進一步地，可在學習階段期間量測熵。可為了簡單起見而在製造晶圓之後採用學習階段。為了考慮晶片到晶片的變化，可在晶片的電力開啟時採用學習階段。進一步地，為了補償溫度及電壓狀況，可在產生隨機數的集合之前採用學習階段。可在本文中所論述的任何階段處採用單一學習階段，或可在不同階段處採用多個學習階段。
因此，本標的強化了實施隨機數產生之系統的安全性。因為本技術利用該一或更多個ReRAM構件之物理特性的隨機本質來產生隨機數，預測該隨機數是極不可能的。從而，改良了隨機數產生設備/系統的整體安全性及整體性。進一步地，ReRAM構件在較低電壓下展現隨機行為，亦可減少隨機數產生設備的整體電力消耗。
已為了繪示及說明的目的呈現本揭示案的說明，但不欲該說明是窮舉的或限於所揭露之形式的揭示。本領域中具通常技藝者將從本揭示案的範圍及精神理解許多更改及變化。是為了最佳地解釋本揭示案的原理及實作應用，且為了允許本領域中具通常技藝的其他人了解具有各種更改（以及適用於所設想之特定用途的更改）之各種實施例的揭示，而選擇及描述實施例。
100‧‧‧設備102‧‧‧ReRAM構件104‧‧‧控制電路106‧‧‧隨機數產生器108‧‧‧輸出節點200‧‧‧方法S201‧‧‧步驟S202‧‧‧步驟S204‧‧‧步驟S206‧‧‧步驟S208‧‧‧步驟
藉由示例的方式，在隨附繪圖中圖解地繪示該等技術，在該等繪圖中：
依據一實施例，圖1繪示用於產生隨機數的示例性設備；及
依據一實施例，圖2繪示用於產生隨機數的示例性方法。
要注意的是，類似的參考標號在繪圖各處標誌相同的或相對應的元件。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
(請換頁單獨記載) 無
100‧‧‧設備
102‧‧‧ReRAM構件
104‧‧‧控制電路
106‧‧‧隨機數產生器
108‧‧‧輸出節點

Claims (16)

  1. 一種用於產生隨機數的設備，包括：一或更多個電阻式記憶體構件；一隨機數產生器，用於取決於該一或更多個電阻式記憶體構件中的至少一個電阻式記憶體構件的一阻抗值來產生一隨機數；及一控制電路，用於向該至少一個電阻式記憶體構件提供一編程訊號，以配置該一或更多個電阻式記憶體構件中的該至少一個電阻式記憶體構件的一阻抗值，其中該控制電路更用於變化該編程訊號的至少一個特性，以變更該一或更多個電阻式記憶體構件的阻抗值的一隨機程度。
  2. 如請求項1所述之設備，其中該隨機數產生器更被配置為決定一或更多個輸出節點處的阻抗值，各輸出節點耦合至該一或更多個電阻式記憶體構件中的一相應電阻式記憶體構件，其中至少部分地基於該一或更多個電阻式記憶體構件的阻抗值，來決定該一或更多個輸出節點處的阻抗值。
  3. 如請求項2所述之設備，其中該隨機數產生器被配置為量測該一或更多個輸出節點處之一電流訊號、一電壓訊號或一時間延遲或其組合，以決定該一或更多個輸出節點處的該等阻抗值。
  4. 如請求項1所述之設備，其中該編程訊號包括一電壓訊號。
  5. 如請求項1所述之設備，其中該編程訊號的該至少一個特性包括該編程訊號之一振幅或一脈衝寬度或其組合。
  6. 如請求項1所述之設備，其中該一或更多個電阻式記憶體構件中的該至少一個電阻式記憶體構件包括一過渡金屬氧化物、一硫族化物、一鈣鈦礦、一或更多個奈米管、一非晶質氧化物、一非晶半導體或一多晶半導體或其組合。
  7. 如請求項1所述之設備，其中該一或更多個電阻式記憶體構件中的該至少一個電阻式記憶體構件包括一相變電阻式記憶體構件。
  8. 如請求項1所述之設備，其中該一或更多個電阻式記憶體構件中的該至少一個電阻式記憶體構件包括一導電橋電阻式記憶體構件。
  9. 如請求項1所述之設備，其中該一或更多個電阻式記憶體構件中的該至少一個電阻式記憶體構件包括一基於過渡金屬氧化物的電阻式記憶體。
  10. 如請求項1所述之設備，其中該一或更多個電阻式記憶體構件中的該至少一個電阻式記憶體構件包括一基於奈米管的電阻式記憶體。
  11. 如請求項1所述之設備，其中以一矩陣配置佈置該一或更多個電阻式記憶體構件。
  12. 如請求項1所述之設備，其中以一交叉點結構配置佈置該一或更多個電阻式記憶體構件。
  13. 如請求項1所述之設備，其中以一n維陣列佈置該一或更多個電阻式記憶體構件。
  14. 一種用於產生隨機數的方法，該方法包括以下步驟：將一編程訊號施用於一或更多個電阻式記憶體構件；決定該一或更多個電阻式記憶體構件中的至少一個電阻式記憶體構件的一阻抗值；及至少部分地基於該一或更多個電阻式記憶體構件中的該至少一個電阻式記憶體構件的該經決定阻抗值，來產生一隨機數，其中施用該編程訊號的步驟包括以下步驟：變化該編程訊號的至少一個特性，以變更該一或更多個電阻式記憶體構件的阻抗值的一隨機程度。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該至少一個特性包括該編程訊號之一振幅或一脈衝寬度或其組合。
  16. 如請求項14所述之方法，其中決定該阻抗值的步驟包括以下步驟：量測一或更多個輸出節點處之一電流訊號、一電壓訊號或一時間延遲或其組合，其中各輸出節點耦合至該一或更多個電阻式記憶體構件中的至少一個電阻式記憶體構件。
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