KR20170024105A - 진성 난수 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광자 소스(2)와 λ과 동일한 광자 흐름을 검출하도록 구성된 SPAD 유형(311)의 하나 이상의 광 검출기를 포함하는 난수 발생기(1)이며, 여기서 상기 광자는 광자 소스(2)에 의하여 발생된다. 또한, 난수 발생기(1)는 전자 샘플링 수단(4)을 더 포함한다. 상기 전자 샘플링 수단(4)은 관찰 윈도우(Tw) 각각에 대해 각 SPAD 광자 검출기(311) 상에 입사되는 광자의 도착 시간(t)을 검출하는 그러한 방법으로 구성되어 있고, 또한 도착 시간(t)를 이진 수열로 변환하는 그러한 방법으로 구성되어 있다. 본 발명의 발생기에서 광자 소스(2)와 전자 샘플링 수단(4)은 곱(λ*Tw)이 0.01 보다 작거나 동일한 그러한 방법으로 구성되어 있다.

Description

진성 난수 발생기{TRUE RANDOM NUMBER GENERATOR}

본 발명은 난수 발생기(RNG)에 관한 것이며, 특히 개선된 형태의 진성 난수 발생기(TRNG)에 관한 것이다.

난수 발생기는 현재 과학 분야에서 암호 기법(cryptodiagramy) 분야에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되고 있음은 알려져 있다.

첫 번째 경우에 있어서, 시뮬레이션의 초기 상태의 설명으로 사용하는 일정 수의 초기 랜덤 스테이트(initial random state)의 생성을 요구하는, 계산 과학의 예가 전형적인 예이다.

이러한 유형의 애플리케이션은 일반적으로 초기 구성(configuration)들이 서로 엄격하게 상호 연관되지는 않지만 그러나 예를 들어 시뮬레이션을 수행하는 코드들에 대한 변형의 영향을 입증하는 것을 가능하게 하기 위하여 결정론적 방법( deterministic manner)으로 그것들이 재생될 수 있을 것을 요구한다. 이러한 이유로, 이러한 수열(sequence)들은 초기 값에서 시작하는 복잡한 알고리즘을 통해 정의되기 때문에, 보다 정확하게 의사 난수(PRN)로 정의된다. 다시 말해서, 기술적 전문 용어로 "시드(seed)"라고 불리는 초기 난수가 주어지면, 공식은, 매우 복잡한 경우에도, 동일한 수열의 난수를 지속적으로 재생할 수 있다. 해당 발생기는 의사 난수 발생기(PRNG)로 정의된다.

반대로, 두 번째 경우에 있어서, 예를 들어 은행 업무의 실행을 위한 암호 기법으로 난수를 사용하는 경우에, 매우 민감한 정보를 안전하게 유지하는 그러한 방법으로, 생성된 수열(sequence)의 예측 불가능성을 완전하게 보장하는 것이 필요하기 때문에 이러한 방법은 취약하다. 이러한 경우에, 가장 안전한 방법은 정말로 랜덤하면서도 생성된 수열은 어떠한 방법으로도 예측이 허용되지 않는 발생 프로세스로부터 얻는 난수 발생을 통해서 이룰 수 있다. 이러한 발생기는, 사실, 진성 난수 발생기(TRNG)로 알려져 있다. 특히, 예를 들어 광원에 의한 광자의 생성과 같은 양자(quantum) 메커니즘은 상기 진성 난수 수열을 얻기 위해 가장 많이 연구되는 방법에 속하며, 양자 시스템 자체의 속성에 내재된 측정된 사건(event)의 불확정(indetermination)에 기초한다. 정보 이론의 관점에서, 상기 두 기법 모두를 통해서 발생되는 난수의 예측 불가성의 레벨은 사실 임의 변수에서 불확실성 또는 정보의 측정으로서 알려진 "엔트로피(entropy)"로 정의되는 파라메터에 의하여 표현될 수 있다.

더욱이, NIST(National Institute of Standards and Technology)는 주어진 난수 발생기가 충분한 수준의 엔트로피를 가지고 있는지의 여부를 결정할 수 있게 자체의 지침 NIST SP800-22로 약 15 개의 통계적 테스트를 지정하고 있다는 점을 중요하게 강조한다.

앞서 언급한 바와 같이, 어떤 알고리즘은 도입된 후 상당히 지난 후에야 잠재적으로 드러나는 약점을 가지고 있을 뿐만 아니라, 어떤 악의가 있는 대상이 만에 하나 모든 랜덤 수열을 발생시키는 시드(seed)를 복구하는 경우에는, 동일한 시드에 기반한 모든 연속으로 이어지는 출력은 절대적으로 확실하게 예측할 수 있기 때문에, 암호 기법(cryptodiagramy) 목적으로 의사 난수 발생기를 사용하는 것은 위험하다.

따라서 물리적 현상 및 특히 양자(quantum) 현상에 기초한 솔루션은, 이러한 사건들의 본질적 예측 불가능성을 고려한다면, 사용된 알고리즘에 대한 완전한 지식을 보유하고 있고, 그들 마음대로 처리할 수 있는 높은 계산 능력을 가진 대상에 대해서도 매우 바람직하다. 그러나, 의사 난수 발생을 위한 알고리즘이, 사실, 그들의 결정론적 특성 덕택에 절대적으로 확실하게 결정되는 일부 통계적 속성을 가지는 수열을 생성하도록 선택될 수 있는 반면에, 물리적 현상으로부터 시작하여 얻어지는 난수는 예를 들어 장치 제조 품질에서의 변화, 전원 공급 장치에서의 변동, 외부장(external fields) 및 갑작스런 온도 변화와 같은 환경적 변화에 기인하여 실질적인 제한을 받는다. 일반적으로, 이상적인 경우로부터의 이러한 편차들은 표본공간(sample space)에서 측정될 수 있는 사건들의 균일하고 독립적인 통계 분포로부터의 편차를 결정한다. 결과적으로, 또한 상기 진성 난수 발생기에서도 낮은 레벨의 엔트로피를 관찰하는 것이 가능하다.

본 발명이 해결하려는 과제는 적어도 NIST 통계 테스트를 패스하는 그러한 방법으로 높은 엔트로피 레벨을 보장할 수 있는 진성 난수 발생기를 제공하려는 목적을 달성한다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 랜덤 비트 레이트의 생성에 있어서 높은 비트 레이트 달성을 가능하게 하는 진성 난수 발생기를 제공하려는 목적을 달성한다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 또한 알려진 기술의 난수 발생기들에 비해 더 작고 덜 복잡한 구조를 가지며 더 적은 에너지 소모를 요구하는 진성 난수 발생기를 제공하려는 목적을 달성한다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 또한 그것의 내부 구성요소에 대한 임의의 변경에 대해 높은 수준의 안전성을 가지는 진성 난수 발생기를 제공하려는 목적을 달성한다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 또한 알려진 기술의 발생기들보다 더 경제적인 진성 난수 발생기를 제공하려는 목적을 달성한다.

본 발명 과제의 해결 수단은 난수 발생기(1)에 있어서, 난수 발생기(1)는: 광자 소스(2); λ와 동일한 광자의 흐름을 검출하기 위한 그러한 방법으로 구성된 SPAD 유형(311)의 하나 이상의 광자 검출기, 상기 광자들은 상기 광자 소스(2)에 의해 발생되며; 듀레이션(Tw)을 가진 관찰 윈도우들의 각각에 대해 상기 SPAD 광자 검출기들(311)의 각각에 입사하는 광자의 도착 시간(t)을 검출하는 그러한 방식으로 구성된 전자 샘플링 수단(4)을 포함하는 유형이며, 상기 전자 샘플링 수단 (4)은 더욱이 상기 도착 시간(t)를 n = log₂r과 동일한 길이를 갖는 이진 수열로 변환하고, r은 듀레이션(Tw)을 가진 상기 관찰 윈도우들의 각각이 세분화되는 동일한 듀레이션을 갖는 시간 부분들의 수이고, 상기 이진 수열은 상기 도달 시간(t)이 속하는 특정 시간 부분에 의존하는 값을 취하는 그러한 방식으로 구성되며, 상기 광자 소스와 상기 전자 샘플링 수단(4)은 검출된 광자의 흐름(λ)과 각 관찰 윈도우의 듀레이션(Tw) 사이의 곱(λ*Tw)이 0.01 보다 작거나 동일한 그러한 방법으로 구성된 난수 발생기를 제공하는데 있다.

본 발명은 적어도 NIST 통계 테스트를 패스하는 그러한 방법으로 높은 엔트로피 레벨을 보장할 수 있는 진성 난수 발생기를 제공할 수 있는 유리한 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 랜덤 비트 레이트의 생성에 있어서 높은 비트 레이트 달성을 가능하게 하는 진성 난수 발생기를 제공할 수 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 또한 알려진 기술의 난수 발생기들에 비해 더 작고 덜 복잡한 구조를 가지며 더 적은 에너지 소모를 요구하는 진성 난수 발생기를 제공할 수 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 또한 그것의 내부 구성요소에 대한 임의의 변경에 대해 높은 수준의 안전성을 가지는 진성 난수 발생기를 제공할 수 있다.

도1a은 본 발명의 난수 발생기의 구조에 대한 개략적 도면을 나타낸다;
도1b는 본 발명의 난수 발생기 검출기의 어레이(array)에 대한 개략적 축측도(axonometric view) 를 나타낸다;
도 2는 동일한 듀레이션(duration)을 가지는 r 개의 시간 부분들로 세분화된 듀레이션(Tw)을 가진 관찰 윈도우를 나타낸다;
도 3은 곱(λ*Tw)의 상이한 값들에 대한, 특히λ의 상이한 값들에 대한 확률 분포에 관한 제1 다이아그램을 나타낸다;
도 4는 곱(λ*Tw)의 상이한 값들에 대한, 특히 Tw 의 상이한 값들에 대한 확률 분포에 관한 제2 다이아그램을 나타낸다.

앞서 언급한 사항을 피하기 위하여, 상기 진성 난수 발생기는 "포스트-프로세싱(post-processing)" 단계라 부르는, 특정 물리적 현상으로부터 시작하는 랜덤 코드의 수열 추출의 다운 스트림에서 수행되는 추가적인 단계를 필요로 한다. 이러한 포스트-프로세싱 단계는 사실, 랜덤 코드 수열의 확률 분포의 균일성을 개선할 수 있다. 그러나, 불리하게도, 상기 포스트-프로세싱 단계는 발생기에 의해 보장될 수 있는 소위 "비트 레이트"에 영향을 준다.

앞서 이미 언급한 바와 같이, 진성 난수의 생성을 위해 가장 많이 이용되는 물리적 현상 중 하나는 양자 광학(quantum photonics)임이 또한 알려져 있다. 이러한 이유로, TRNG 발생기의 매크로 카테고리에 속하는 상기 발생기들은 보다 구체적으로 약어 QRNG(Quantum Random Number Generator)로 표시된다. 이러한 발생기에서, 사실 감쇄된 광 소스는 각각 약어 SPAD(Single Photon Avalanche Diode)로 알려진, 개별 광자들의 하나 이상의 검출기에 의해 얻어지는 소수의 광자(검출된 광자 흐름(λ)의 낮은 값)를 발생시킨다. 또한, 상기 시스템에 상기 SPAD의 다운스트림에 위치한 특정 전자 회로인, 상기 SPADs의 각각으로부터 비트들의 랜덤 수열을 추출할 수 있는, 통상적으로 하나 이상의 TDC(Time to Digital Converter)가 제공된다. 더 정확하게, 이러한 발생기에서 광자는 포아송 분포를 따르며, 획득된 사건은 서로 무관하며, 관찰 윈도우(Tw) 내에서 n개의 광자를 셀 확률은 포와송 분포를 따름을 의미한다:

여기서 λ는, 사실은 검출된 광자 흐름을 나타낸다.

검출된 광자 흐름(λ), SPAD 검출기 특성 및 비트 추출 모드는 발생기의 최종 성능을 결정한다.

앞서 기술했던 바와 같이, QRNG 개념에 기초한 상이한 유형의 난수 발생기는 시장에서 입수할 수 있다. 이러한 발생기들은 특히, 수 백 킬로 비트를 제공하려는 USB 휴대용 장치에서 수 백 메가 비트의 비트 레이트를 보장할 수 있는 대형 전자 시스템에 이르기까지 다양한 응용 분야를 커버한다.

문헌에서, 또한, 다른 논리 구조 및 아키텍처가 물리적 현상으로부터, 특히 광자의 검출로부터 시작되는 진성 난수의 수열을 결정하기 위해 제안되었다. 그들 대부분은 SPAD 발생기/발생기들의 민감한 표면에 입사하는 광자의 "도착 시간" 또는 수를 탐지한다.

특히, 소위 도착 시간에 기초한 테크닉에 관하여, 광자가 개별 SPAD에 입사되는 순간과 연속하는 광자가 동일한 SPAD상에 입사되는 순간 사이에 경과하는 시간이 측정되어야 한다고 제안되었다. 이러한 측정은 각 SPAD의 관찰 윈도우(Tw)가 세분되는 동일한 듀레이션(duration)을 갖는 인접한 시간 부분 내에서 연속적으로 요구된다. 상기 측정이 속하는 시간 부분에 기초하여, 해당하는 비트들의 랜덤 수열이 생성되고 추출된다.

그러나, 이러한 테크닉은 높은 비트 레이트를 얻는 것을 가능하게 하지만, 앞서 설명한 바와 같이, 광자 소스는 상기 포아송 프로세스에 따른다는 사실 때문에, 상당한 바이어스를 갖는다.

알려진 기술에 따르면, 전술한 단점을 극복하기 위해, 광자 소스 상에 직접적으로 조치가 취해져, 동일한 광자 소스에 의해 생성된 광자 흐름을 적절하게 체크한다. 이러한 동작은, 특히, 광자 소스의 바이어스 전류를 오랜 시간에 걸쳐 그것의 통계적 분포를 가능한한 균일하게 만드는 방법으로 변화시키는 단계를 포함한다.

그러나, 불리하게도, 이러한 방법에 따르면, 전술한 바와 같이, 광자 소스의 바이어스 전류를 변화시킬 수 있는 특수한 전자 회로를 발생기에 도입할 필요가 있고, 그것은 발생기 자체의 복잡성 및 크기를 증가시키게 된다.

본 발명은 앞서 언급한 결점을 극복하기 위한 의도가 있다.

특히, 본 발명은 적어도 NIST 통계 테스트를 통과하는 그러한 방법으로 높은 수준의 엔트로피를 보장하는 진성 난수 발생기를 제공하려는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 랜덤 비트 수열의 생성에 있어서 높은 비트 레이트를 얻을 수 있는 진성 난수 발생기를 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 공지된 난수 발생기와 비교하여 구조가 보다 작고, 덜 복잡하며, 에너지 소모가 적은 진성 난수 발생기를 제공하려는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 내부 구성 요소를 임의로 변경하는 것에 대해 높은 수준의 안전성을 갖는 진성 난수 발생기를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른, 그러나 적지 않은 목적은 알려진 기술의 발생기들보다 더 경제적인 진성 난수 발생기를 제공하려는 것이다.

상기 언급된 목적들은 주 청구항에 기술된 특성들을 갖는 진성 난수 발생기에 의해 달성된다.

특히, 본 발명의 진성 난수 발생기는 검출된 광자 흐름(λ)를 갖는 광자 소스와 샘플링 윈도우(Tw)를 갖는 전자 샘플링 수단을 포함하며, 상기 광자 소스 및 상기 전자 샘플링 수단은 곱(λ*Tw)이 0.01보다 작거나 동일한 그러한 방법으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 진성 난수 발생기의 특성은 종속항에 기술된다.

특히, 본 발명의 진성 난수 발생기를 구성하는 구성요소들은 종속 항 5에 설명한 바와 같이, 단일 실리콘 기판에 집적되도록 만들어져서, 유리하게도 알려진 기술의 발생기들보다 더 작고 변경을 덜 받는 발생기를 획득할 수 있게 한다.

상기 목적들은, 아래 기술될 이점들과 함께, 첨부된 도면을 참조하여 비제한적 예로서 제공된 본 발명의 바람직한 실시 예의 기재에서 강조되며,

본 발명의 핵심인 난수 발생기(RNG), 특히 본 발명의 진성 난수 발생기(TRNG)는 도1a에 개략적으로 도시되었고, 1로 표시되었다.

도1a에서 관찰할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 난수 발생기(1)는 λ와 동일한 검출된 광자 흐름을 가지는 광자 소스(2)를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 난수 발생기(1)는 또한 도 1b에 도시된 바와 같이, SPAD 타입의 광자 검출기(311)의 어레이(3)를 포함한다.

특히, 이미 전술한 바와 같이, 단일 SPAD검출기(311)는 그것의 민감한 표면 상에 단일 광자의 입사 및 아마도 미리 설정된 듀레이션(Tw)를 가진 관찰 윈도우 내에 상기 단일 광자의 도착 시간에 관한 정보를 출력으로 수집하고 공급할 수 있다. 두 개의 연속하는 관찰 윈도우Tw 사이에서, SPAD 검출기(311)는, 기술적 전문 용어로 데드 타임(T_dead)이라 부르는, 초기 컨디션들이 복구되는 프로세싱 단계를 겪는데, 그 동안 동일한 SPAD는 어떠한 광자도 검출할 수 없다.

도 1a에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 본 발명의 난수 발생기(1)는 또한 SPAD 검출기(311)의 상기 어레이(3)에 연결되어 동작되는 전자 샘플링 수단(4)을 포함한다.

상기 전자 샘플링 수단(4)은 각 관찰 윈도우(Tw)에 대하여, SPAD검출기의 어레이(3)에 속하는 SPAD 검출기들의 각각에 입사하는 광자의 도착 시간(t)를 검출하도록 구성된다.

또한, 동일한 전자 샘플링 수단(4)은 각각의 검출된 도착 시간(t)를 n = log₂r과 동일한 길이를 가진 이진 수열(binary sequence) 로 변환하는 그러한 방법으로 구성되며, 여기서 r은 도2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 듀레이션(Tw)를 가진 각 관찰 윈도우가 미리 세분화되는 동일한 듀레이션을 가지는 시간 부분들의 수를 나타낸다.

상기 이진 수열에 의해 추정되는 값은 상기 검출된 도착 시간(t)이 속하는 특정한 시간 부분에 의존한다.

본 발명에 따르면, 광자 소스(2)와 전자 샘플링 수단(4)은 검출된 광자 흐름(λ)과 각 관찰 윈도우의 듀레이션(Tw) 사이의 곱(λ*Tw)이 0.01 보다 낮거나 또는 동일하게 되는 그러한 방법으로 구성된다.

아래 나타낸 바와 같이, 그러한 특징들은 유리하게는 본질적으로 선형이며 실질적으로 균일한 광자의 도착 시간에 대한 확률 분포를 얻을 수 있다. 결과적으로, 상기 두 양(λ와 Tw) 사이의 상기 관계는 본 발명의 난수 발생기(1)의 엔트로피(entropy) 레벨을 증가시킬 수 있다.

특히, 바람직하지만 그러나 반드시 그럴 필요는 없지만, 사용되는 도구들이 이상적인 솔루션이 아닌 경우, 광자 도착 시간에 대한 확률 분포의 더 큰 균일성 및 그리하여 본 발명의 발생기(1)의 더 높은 엔트로피 레벨은 상기 곱(λ*Tw)의 값이 0.01 보다 낮거나 또는 동일할 때 얻어짐을 나타냈다.

상기 값들은 앞서 설명한 바와 같이 구성된, 본 발명의 난수 발생기(1)가 최소한 NIST 통계 테스트를 통과하기에 충분한 엔트로피 레벨을 가진다고 설정할 수 있게 하는 이론적 분석 수단, 몬테 카를로 시뮬레이션 및 경험적 측정에 의해 결정되었다.

특히, 실행된 분석은 두 가지 가정에 기초하였다. 첫째는 포아송 프로세스에서 광원(2)에 의해 생성된 광자가 따르는 프로세스처럼, 임의의 랜덤 시간과 연속하는 사건 사이의 편차는 λ가 검출된 사건들의 수인 지수 분포 타입(1-e^-λt )을 따른다는 사실과 관계가 있다. 두 번째 가정은 균일한 통계적 분포로부터 가장 신뢰할만한 편차의 측정은, 관찰 윈도우(Tw)가 복수의 상기 시간 부분들(r)로 세분화되는 경우, 소위 전체변동거리(total variation distance, TVD)에 의해 얻어진다는 것이다.

더 자세히, 상기 전체변동거리는 다음과 같다:

여기서 P와 Q는 측정 가능한 사건(ω)의 샘플 공간(Ω)에서 정의된 두 개의 확률 측정이다.

앞서 설명을 하였기 때문에, 상기 지수를 동일한 듀레이션을 가지는 상기 수(r)의 시간 부분들로 세분화함으로써, 제1시간 부분이 간격(t_i)를 포함하면, 그러면 m^th시간 부분(r)은 시간 간격(t∈ [(m-1)t_i, mt_i))를 나타낼 것이고 다음과 동일한 확률 밀도를 포함하게 될 것임을 쉽게 나타낼 수 있다:

여기서 ε(t; λ)는 시간(t)에서 레이트 파라메터(λ)를 가진 지수 확률 변수(exponential random variable)의 누적 분포 함수이다.

도 3은 시뮬레이션을 통하여, 10과 동일한 많은 수의 시간 부분들(r) 과 유닛 값을 가진 관찰 윈도우(Tw)를 가질 때, 상이한 λ값에 대한 확률 및 확률 밀도의 지수 분포에 대해, 각각 얻은 그래픽 결과를 나타낸다.

해당 방정식으로부터 그리고 무엇보다도 상기 다이아그램으로부터 검출된 광자 흐름(λ)이 감소할수록 확률 밀도는 곧게 펴지는(straighten) 경향이 있음을 이해할 수 있다.

또한, TVD의 값은, 상기 조건에서, 광자 카운터에 비례한다. 특히 수용 가능하다고 여겨지는, TDV ≒ 0.01 은 곱λ*Tw = 1/100인 조건으로 얻어진다.

도 4는 확률 밀도 분포의 그래픽 표현을 또한 나타내며, 이 경우 검출된 광자 흐름(λ)을, 예를 들면 10⁶ counts/s 에서 일정하게 유지하고, 관찰 윈도우의 듀레이션(Tw)을 변화시킨다.

특히, 왼쪽의 첫 번째 다이아그램에서 관찰 윈도우(Tw)는 0.1ns, 두 번째 다이아그램에서는 Tw = 1 ns와 동일하게 선택된 반면, 오른쪽 마지막 다이아그램에서 Tw > 10 ns로 선택되었다. Tw= 0.1 ns인 분포는 본질적으로 균일하고 Tw = 1 ns인 분포는 실질적으로 선형이며, 반면에 Tw > 10 ns인 분포는 시스템의 엔트로피 레벨의 결과적 감소로 균일하지도 않고 선형도 아니다. 또한 이러한 경우에, 명백히, 최상의 결과는 곱(λTw)이 10⁶* (0.1 *10^-9) = 0.01과 동일할 때 얻어진다.

이러한 방법으로 본 발명에 따르면, 검출된 광자 흐름(λ)과 발생기(1)의 관찰 윈도우(Tw) 사이의 곱(λTw)을 0.01과 동일하거나 또는 낮게 구성함으로써 실질적으로 균일한 분포가 얻어지고, 그리하여 발생기(1)는 높은 엔트로피 레벨을 가짐을 나타내었다.

난수 발행기(1)의 구조로 되돌아가서, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 광자 소스(2) 및 SPAD 검출기(311)의 어레이(3)들은 단일 실리콘 기판(5)에 집적되는 그러한 방법으로 만들어진다.

더 자세히, 광자 소스(2) 및 SPAD 검출기(311)의 어레이(3)는 CMOS 집적 회로의 미세 가공 기술 테크닉을 통해 상기 실리콘 기판(5) 상에 만들어 진다.

유리하게는, 상기 집적은 본 발명의 난수 발생기(1)가 알려진 유형의 발생기보다 더 작고 구조적으로 덜 복잡한 그러한 방법으로 구성되도록 허용한다.

특히, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 광자 소스(2)는 LED 장치(21)이다. 이러한 이유로, 상기 집적된 LED 장치(21)는 Si-LED(21)로 불리어진다.

그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 상기 광자 소스(2)는 본 발명의 난수 발생기(1)에 속하는 지원 카드에 설치된 별개의 유형의 LED 장치일 수 있거나 또는 동일한 광자 소스(2)가 LED 장치와는 다른 유형의 장치일 수 있음을 배제할 수 없다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, SPAD 검출기(311)의 어레이(3)는 SPAD 검출기(311)의 그룹들(31)로 세분화되고, 각각의 그룹(31)은 미리 정의된 수의 SPAD 검출기(311)를 포함한다.

SPAD 검출기(311)의 상기 그룹(31) 각각은 위에 언급한 특정 전자 샘플링 수단에 의해 나머지 그룹들과 독립적으로 관리된다.

SPAD 검출기(311)의 다양한 그룹들(31)을 독립적으로 관리하면 유리하게도 난수 발생기(1)로부터 랜덤 이진 수열의 추출을 병렬화(parallelize)하는 것을 가능하게 하고, 따라서 후자의 비트 레이트를 증가시킨다.

그러나, 본 발명의 다른 실시 예에서 SPAD 검출기(311)의 상기 어레이(3)는 SPAD 검출기(311)의 그룹들(31)로 세분화되지 않지만, 공동의 전자 샘플링 수단(4)에 의해 제어됨을 배제할 수 없다.

또한, 본 발명의 선택적 실시 예에서, 상기 발생기(1)는 단일 SPAD 검출기(311)를 포함할 수 있음을 배제할 수 없다.

Si-LED와 SPAD검출기(311)의 어레이(3) 사이의 결합과 관련하여, 이것은 바람직하지만 그러나 반드시 직접적인 방법으로 이루어지지는 않는다.

상기 직접적 결합은 유리하게는 SPAD검출기(311)의 어레이(3)의 민감한 표면에 입사하는 광자 흐름을 최대화할 수 있다. 또한 광자 흐름의 스플리터(splitter)를 사용하는 다른 구조에서 상기 스플리터가 정확하게 균형을 잡지 않으면 일어날 수 있는 임의의 가능한 통계적 분포의 편중을 피할 수 있다. 실제로, 직접적 결합은 장치의 제어를 더 쉽게 하고 드리프트로 인한 초기 동작 컨디션으로부터 상당한 편차를 피할 수 있게 한다.

마지막으로, 여전히 유리하게도, 상기 직접적 결합은 상기 두 구성요소들 사이에 집적된 광 회로를 제조할 필요가 없으므로 본 발명의 난수 발생기(1)의 구조를 간소화 한다.

그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 있어서, Si-LED와 SPAD 검출기(311)의 어레이(3) 사이의 결합은 적절한 도파관(waveguide)의 개재를 통해, 간접적 방법으로 얻어질 수 있음을 배제할 수 없다.

이미 전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, SPAD 검출기(311)의 각 그룹들(31)은 자체의 전자 샘플링 수단(4)과 연결되어 동작한다. 특히, SPAD 검출기(311)의 그룹들(31)과 연관된, 상기 전자 샘플링 수단(4)은 각 SPAD(311) 상에 입사하는 광자의 도착 시간(t)을 검출하도록 구성되고 또한 도착 시간(t)에 어느 SPAD 검출기(311) 상에 상기 광자가 입사하는지를 식별하도록 구성된다. 이러한 특성 덕택에 광자가 입사하는 특정 SPAD 검출기(311)를 식별하는 것이 가능하고, 이러한 특성은 유리하게도 공동의 전자 샘플링 수단(4)이 사용되더라도, SPADs 들의 그룹(31)에 속하는 각 요소의 분포를 알게 한다.

그러므로, SPAD 검출기(311)의 그룹들(31)에 의해 공유되고 동시에 주어진 도착 시간(t)에 상기 검출기(311)들 중 어느 검출기 상에 광자가 입사하는지를 결정할 수 있는 전자 샘플링 수단(4)을 사용하면 본 발명의 전체 난수 발생기(1)의 엔트로피의 레벨을 높게 유지하게 하고 동시에 후자의 사이즈를 감소시키는 것을 가능하게 한다.

그러나, 본 발명의 선택적 실시 예에 있어서, 상기 전자 샘플링 수단(4)은 SPAD 검출기(311)의 전체 어레이(3)에 의해 공유되거나 또는 각각의 SPAD 검출기(311)에 자체의 샘플링 수단(4)이 제공됨을 배제할 수 없다.

또한, 본 상기 전자 샘플링 수단(4)은 TDC 장치(Time to Digital Converter, 41)를 포함한다.

마지막으로, 항상 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 또한 상기 전자 샘플링 수단(4)은 상기 실리콘 기판(5)에 집적되는 그러한 방법으로 만들어진다.

바람직하지만 그러나 반드시 그럴 필요는 없지만, 본 발명의 난수 발생기(1)는 또한 상기 전자 샘플링 수단(4)으로부터 출력으로서 추출된 이진 수열을 수신하도록 구성된 전자 포스트-프로세싱 수단(6)을 포함하며, 상기 전자 샘플링 수단은 이어서 SPAD 검출기(311)의 상기 그룹들(31) 각각과 연관된다.

또한, 상기 전자 포스트-프로세싱 수단(6)은 소위 "화이트닝(whitening)" 사이클을 실행하는 그러한 방법으로 상기 이진 수열을 처리하도록 구성된다. 상기 용어 "화이트닝"은 공분산(covariance) 매트릭스(M)에 아마도 묶인 랜덤 이진 코드의 수열을 공분산이 항등행렬(identity matrix)인 새로운 수열의 랜덤 이진 코드로 변환할 수 있는 비상관화(decorrelation) 동작을 나타낸다. 다시 말해서, 랜덤 이진코드의 상기 새로운 수열은 서로 연관되지 않고 그들 모두 1과 동일한 분산값(variance value)을 갖는다. 결과적으로, 유리하게도, 상기 추가적인 포스트-프로세싱 단계는 본 발명의 동일한 난수 발생기(1)의 엔트로피를 추가적으로 증가시키는 것을 가능하게 한다.

예시로서, 상기 전자 포스트-프로세싱 수단(6)은 폰 노이만(Von Neumann) 알고리즘을 통해 입력으로서 수신된 이진 수열을 처리하도록 구성된다.

그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 상기 전자 포스트-프로세싱 수단(6)은 해시 함수 알고리즘, 블록 사이퍼 알고리즘(block cipher algorjthm), 또는 본 발명의 난수 발생기(1)의 엔트로피를 출력 비트 당 추가적으로 증가시킬 수 있다면, 이러한 목적을 위해 특별히 만들어진 매트릭스에 의한 증량을 통해 상기 이진 수열을 처리하도록 구성될 수 있음을 배제할 수 없다.

전술한 바에 의하면, 그러므로, 본 발명의 난수 발생기(1)는 설정된 모든 목적을 달성한다.

특히, 적어도 NIST 통계 테스트를 패스하는 그러한 방법으로 높은 엔트로피 레벨을 보장할 수 있는 진성 난수 발생기를 제공하려는 목적을 달성한다.

게다가, 본 발명은 또한 랜덤 비트 레이트의 생성에 있어서 높은 비트 레이트 달성을 가능하게 하는 진성 난수 발생기를 제공하려는 목적을 달성한다.

본 발명은 또한 알려진 기술의 난수 발생기들에 비해 더 작고 덜 복잡한 구조를 가지며 더 적은 에너지 소모를 요구하는 진성 난수 발생기를 제공하려는 목적을 달성한다.

본 발명은 또한 그것의 내부 구성요소에 대한 임의의 변경에 대해 높은 수준의 안전성을 가지는 진성 난수 발생기를 제공하려는 목적을 달성한다.

마지막으로, 본 발명은 또한 알려진 기술의 발생기들보다 더 경제적인 진성 난수 발생기를 제공하려는 목적을 달성한다.

Claims (10)

1. 난수 발생기(1)에 있어서,
   난수 발생기(1)는:
   광자 소스(2);
   λ와 동일한 광자의 흐름을 검출하기 위한 그러한 방법으로 구성된 SPAD 유형(311)의 하나 이상의 광자 검출기, 상기 광자들은 상기 광자 소스(2)에 의해 발생되며;
   듀레이션(Tw)을 가진 관찰 윈도우들의 각각에 대해 상기 SPAD 광자 검출기들(311)의 각각에 입사하는 광자의 도착 시간(t)을 검출하는 방식으로 구성된 전자 샘플링 수단(4)을 포함하는 유형이며,
   상기 전자 샘플링 수단 (4)은 더욱이 상기 도착 시간(t)를 n = log₂r과 동일한 길이를 갖는 이진 수열로 변환하고, r은 듀레이션(Tw)을 가진 상기 관찰 윈도우들의 각각이 세분화되는 동일한 듀레이션을 갖는 시간 부분들의 수이고, 상기 이진 수열은 상기 도달 시간(t)이 속하는 특정 시간 부분에 의존하는 값을 취하는 그러한 방식으로 구성되며,
   상기 광자 소스와 상기 전자 샘플링 수단(4)은 검출된 광자의 흐름(λ)과 각 관찰 윈도우의 듀레이션(Tw) 사이의 곱(λ*Tw)이 0.01 보다 작거나 동일한 그러한 방법으로 구성됨을 특징으로 하는 난수 발생기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광 소스(2)와 전자 샘플링 수단(4)은 검출된 광자의 흐름(λ)과 각 관찰 윈도우의 듀레이션(T_w) 사이의 곱(λ*Tw)이 0.001 보다 작거나 동일한 그러한 방법으로 구성됨을 특징으로 하는 난수 발생기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   다수의 그룹으로 세분화된 SPAD 광자 검출기들(311)의 어레이(3)를 포함하며, 상기 그룹들 각각은 SPAD 검출기(311)의 다른 그룹들과 연관된 전자 샘플링 수단(4)과 관계없이, 특정 도착 시간(t)에 광자가 검출된 SPAD 검출기(311)를 식별하는 그러한 방법으로 구성된 자체의 전자 샘플링 수단(4)과 연결되어 동작함을 특징으로 하는 난수 발생기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전자 샘플링 수단(4)은 하나 이상의 TDC(Time to Digital Converter, 41)를 포함함을 특징으로 하는 난수 발생기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광자 소스(2)와 하나 이상의 SPAD 광자 검출기(311)는 단일 실리콘 기판(5)에 집적되어 제조됨을 특징으로 하는 난수 발생기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 광자 소스(2)와 하나 이상의 SPAD 광자 검출기(311)는 CMOS 집적 회로의 미세가공 기술을 통해 상기 실리콘 기판(5) 상에 제조됨을 특징으로 하는 난수 발생기.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광자 소스(2)는 상기 실리콘 기판(4) 상에 만들어진 Si-LED 소자(21)임을 특징으로 하는 난수 발생기.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   입력으로 상기 전자 샘플링 수단(4)에 의하여 추출되는 상기 이진 수열을 수신하고 상기 난수 발생기(1)의 출력 비트 당 엔트로피 값을 증가시키는 그러한 방법으로 상기 이진 수열을 프로세스 하도록 구성된 전자 포스트-프로세싱 수단(6)을 포함함을 특징으로 하는 난수 발생기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 전자 포스트-프로세싱 수단(6)은 폰 노이만 알고리즘을 통해서 상기 이진 수열을 프로세스 하도록 구성됨을 특징으로 하는 난수 발생기.
10. 제8항에 있어서,
    상기 전자 포스트-프로세싱 수단(6)은 해시 함수 알고리즘을 통해서 상기 이진 수열을 프로세스 하도록 구성됨을 특징으로 하는 난수 발생기.

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