核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学技术大学近代物理系 报告人：王鑫喆

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1 核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学技术大学近代物理系 报告人：王鑫喆
量子通信中高速并行 真随机数发生器设计 核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学技术大学近代物理系 报告人：王鑫喆

2 内容摘要 ◎背景介绍 ◎设计原理 ◎设计方案 ◎仿真与流片 ◎总结与展望

3 背景介绍——随机数的应用 随机数广泛应用于信息安全、模拟分析、博彩娱乐等领域 随机数分类：
◎伪随机数：通过一定的算法计算得到，只在一定周期内具有随机性 ◎真随机数：通过随机的物理过程得到，具有不确定性和不可预测性 通常情况下，伪随机数即能满足大多数应用需求，但在量子通信中为了保证通信的安全性，需要使用大量真随机数序列

4 背景介绍——量子通信对于随机数的应用需求
量子通信中量子密钥分发（QKD)系统采用BB84协议 由于受通信协议和收发硬件条件限制，需要高数据率的真随机数发生器保证成码率，同时要求发生器体积足够小以保证系统集成度。

5 背景介绍——量子通信对于随机数的应用要求
商用TRNG芯片现状： ID Quantique公司QUANTIS芯片：4Mbps 北京宏思电子WNG-5系列芯片：2Mbps 商用芯片无法满足QKD系统百兆量级的数据率要求 设计目标：利用专用集成电路技术设计一款高数据率（200Mbps以上）、高集成度的真随机数发生器芯片

6 设计原理 常见的真随机数发生器原理有：噪声放大、亚稳态、混沌电路、数字电路中的时钟抖动等
基于高数据率和结构简单的需求，我们选择数字电路中的时钟抖动作为物理熵源，即：使用低频时钟对高频时钟进行采样。

7 设计原理——熵源电路的改进 熵源电路原始方案： 熵源电路改进方案：
熵源电路原始方案： 熵源电路改进方案： 综合考虑性能要求和芯片面积，确定单路真随机数输出的熵源由256路振荡环组成，经dff+xor网络得到随机数原始数据

8 设计方案 10路并行真随机数通道，每路256路振荡环作为熵源， 可通过4线SPI配置使能控制起振振荡环数目， 输出接后处理电路，
加入bypass功能，允许输出原始数据。

9 设计方案——后处理结构 在各路输出后面加入不同的后处理结构，比较各种后处理结构的性能，为未来的流片提供参考。同时加入bypass功能，允许直接输出原始数据。 后处理方案1：LFSR结构

10 设计方案——后处理结构 方案2：自反馈+PRBS结构 方案3：双PRBS stop&go结构

11 仿真与流片 真随机数发生器芯片TRNG2014根据IO模式可分为TRNG2014CML和TRNG2014LVDS两个版本，layout版图如下图所示 由于设计中大量自由振荡的振荡环带来巨大的计算量，无法对整体设计进行长程的后仿真。而是对芯片的各部分分模块进行了200MHz采样时钟条件下的后仿真，结果均符合设计预期。

12 仿真与流片 TRNG2014芯片流片工艺采用SMIC公司130nm工艺MPW流片，封装分为QFN48和PCB bonding两种方案，下图依次是芯片裸片显微照片和封装效果图

13 总结与展望 ◎本次流片测试最高数据率可达850Mbps，进一步的性能测试还在进行中； ◎本次流片基本验证了设计方案的可行性，将根据最终的测试结果对现有设计提出改进方案； ◎将根据改进方案进行下一次流片，实现可实际使用的真随机数发生器芯片，最高数据率可达1Gbps。

14 Thank You!