背景介紹——量子通信對于隨機數(shù)的應用要求-indico

1、量子通信中高速并行 真隨機數(shù)發(fā)生器設計,核探測與核電子學國家重點實驗室中國科學技術大學近代物理系報告人：王鑫喆,內容摘要,◎背景介紹◎設計原理◎設計方案◎仿真與流片◎總結與展望,背景介紹——隨機數(shù)的應用,隨機數(shù)廣泛應用于信息安全、模擬分析、博彩娛樂等領域隨機數(shù)分類：◎偽隨機數(shù)：通過一定的算法計算得到，只在一定周期內具有隨機性◎真隨機數(shù)：通過隨機的物理過程得到，具有不確定性和不可預測性通常情

2、況下，偽隨機數(shù)即能滿足大多數(shù)應用需求，但在量子通信中為了保證通信的安全性，需要使用大量真隨機數(shù)序列,背景介紹——量子通信對于隨機數(shù)的應用需求,量子通信中量子密鑰分發(fā)（QKD)系統(tǒng)采用BB84協(xié)議由于受通信協(xié)議和收發(fā)硬件條件限制，需要高數(shù)據(jù)率的真隨機數(shù)發(fā)生器保證成碼率，同時要求發(fā)生器體積足夠小以保證系統(tǒng)集成度。,背景介紹——量子通信對于隨機數(shù)的應用要求,商用TRNG芯片現(xiàn)狀：ID Quantique公司QUANTIS芯片：

3、4Mbps北京宏思電子WNG-5系列芯片：2Mbps商用芯片無法滿足QKD系統(tǒng)百兆量級的數(shù)據(jù)率要求設計目標：利用專用集成電路技術設計一款高數(shù)據(jù)率（200Mbps以上）、高集成度的真隨機數(shù)發(fā)生器芯片,設計原理,常見的真隨機數(shù)發(fā)生器原理有：噪聲放大、亞穩(wěn)態(tài)、混沌電路、數(shù)字電路中的時鐘抖動等基于高數(shù)據(jù)率和結構簡單的需求，我們選擇數(shù)字電路中的時鐘抖動作為物理熵源，即：使用低頻時鐘對高頻時鐘進行采樣。,設計原理——熵源電路的改進,熵

4、源電路原始方案： 熵源電路改進方案：綜合考慮性能要求和芯片面積，確定單路真隨機數(shù)輸出的熵源由256路振蕩環(huán)組成，經dff+xor網絡得到隨機數(shù)原始數(shù)據(jù),設計方案,10路并行真隨機數(shù)通道，每路256路振蕩環(huán)作為熵源，可通過4線SPI配置使能控制起振振蕩環(huán)數(shù)目，輸出接后處理電路，加入bypass功能，允許輸出原始數(shù)據(jù)。,,設計方案——后處理結構,在各路輸出后面加入不同的后處理結構，比較各種后處理結

5、構的性能，為未來的流片提供參考。同時加入bypass功能，允許直接輸出原始數(shù)據(jù)。后處理方案1：LFSR結構,,設計方案——后處理結構,方案2：自反饋+PRBS結構方案3：雙PRBS stop&go結構,,,仿真與流片,真隨機數(shù)發(fā)生器芯片TRNG2014根據(jù)IO模式可分為TRNG2014CML和TRNG2014LVDS兩個版本，layout版圖如下圖所示由于設計中大量自由振蕩的振蕩環(huán)帶來巨大的計算量，

6、無法對整體設計進行長程的后仿真。而是對芯片的各部分分模塊進行了200MHz采樣時鐘條件下的后仿真，結果均符合設計預期。,仿真與流片,TRNG2014芯片流片工藝采用SMIC公司130nm工藝MPW流片，封裝分為QFN48和PCB bonding兩種方案，下圖依次是芯片裸片顯微照片和封裝效果圖,總結與展望,◎本次流片測試最高數(shù)據(jù)率可達850Mbps，進一步的性能測試還在進行中；◎本次流片基本驗證了設計方案的可行性，將根據(jù)最終的測試結果對