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文檔簡介
1、量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)對真隨機數(shù)有著實時而大量的需求。且隨著QKD系統(tǒng)升級和未來小型化發(fā)展需要,現(xiàn)有商用真隨機數(shù)芯片與一些科研階段的高速真隨機數(shù)產(chǎn)生設備,均不能同時滿足速度和體積的要求。為此,QKD系統(tǒng)升級需求提出設計具有多通道的高速真隨機數(shù)產(chǎn)生器的半導體芯片。
高速真隨機數(shù)產(chǎn)生芯片需要滿足以下需求:
1.每路真隨機數(shù)產(chǎn)生率最高數(shù)據(jù)率需要達到1Gbps,真隨機數(shù)的輸出需要為定頻輸出,對于每一個請求(時鐘),必須有
2、一位真隨機數(shù)的輸出;
2.單芯片需要集成10路獨立的真隨機數(shù)產(chǎn)生通道,以滿足量子光源在指定發(fā)生頻率時,對真隨機數(shù)的并行需求;
3.體積和功耗盡量控制,以方便系統(tǒng)的升級和集成化設計。
為了實現(xiàn)上述目標,針對現(xiàn)有真隨機數(shù)產(chǎn)生方案進行研究,并選擇能容易且可靠的以半導體芯片形式實現(xiàn)的數(shù)字電路時鐘抖動采樣方案。首先對真隨機產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)進行了數(shù)學分析,并使用FPGA對方案進行拓撲結(jié)構(gòu)原型驗證;再利用半導體CMOS工藝完
3、成了芯片設計,通過MPW形式進行了流片加工,并進行了芯片封裝和測試。最后利用配套的高速真隨機數(shù)驗證系統(tǒng)采集真隨機數(shù),用于NIST隨機數(shù)測試。
最終,真隨機數(shù)產(chǎn)生器原型芯片實現(xiàn)了如下指標,成功完成預期設計目標。
1.在6mm×6mm的QFN48封裝內(nèi),實現(xiàn)了10通道獨立的真隨機數(shù)產(chǎn)生器,單通道支持定頻最高數(shù)據(jù)率1Gbps。
2.在3.3V IO電源和1.2V核心電源供電,1Gbps數(shù)據(jù)產(chǎn)生率,10通道全開的條
4、件下,典型功耗為800mW。
3.在1Gbps的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率條件下,產(chǎn)生的真隨機數(shù)可以通過NIST隨機數(shù)質(zhì)量驗證。
本論文的創(chuàng)新點主要表現(xiàn)在如下幾個方面:
1.在6mm×6mm的QFN48封裝內(nèi),實現(xiàn)了10通道獨立的真隨機數(shù)產(chǎn)生器,每通道數(shù)據(jù)產(chǎn)生率可達1Gbps,芯片具有高速高集成度的特點。
2.建立了完備的真隨機數(shù)測試平臺,完成了芯片的隨機性驗證。測試結(jié)果表明,其真隨機性能夠滿足NIST標準要求。
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