一种随机电报信号生成方法及生成器

1.本公开属于集成电路技术领域，具体涉及一种随机电报信号生成方法及生成器。


背景技术：

2.随机电报信号(rts)是一种常见的随机现象，具有高熵随机性，应用于密码学、机器学习等领域。随机电报信号在加密系统中一般用于数据加密和安全通信，例如生成安全密钥、加密的初始化向量以及会话id的唯一标识符等。随机电报信号在机器学习领域也有广泛的应用，如随机矩阵的生成、dropout减少神经网络层之间连接的过程等。
3.与现有cmos电路生成的伪随机数相比，物理rts能够以更少的能量需求和晶体管提供内在随机性。随机电报噪声就是一种典型的rts，它来源于氧化物中的陷阱，氧化物中的陷阱可以随机从通道中捕获一个电荷载流子，而捕获的载流子在一段时间后被发射回通道中。这个物理过程不可预测，可以作为产生随机性的熵源。
4.但它也面临一些缺陷导致应用受限，首先，具有清晰的随机电报噪声信号的硬件比例极低，通常需要在相当大的阵列中手动选择其中符合条件的硬件，这种预处理大大增加了成本；其次，现有的随机电报噪声无法实现对生成信号的调控，因此不能适用于特定场景，仍然需要在电路中加入去偏、时钟等后处理硬件模块来满足应用需求，这同时也限制了面积和功率的进一步减小。
5.在背景技术部分中公开的所述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种随机电报信号生成方法，该方法利用特定脉冲激励生成随机电报信号，无需对器件进行选择并能实现输出信号的调控，极大节约了硬件面积及功耗。
7.为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
8.一种随机电报信号生成方法，包括如下步骤：
9.s100：输入第一目标状态常数τ
state1
以及第二目标状态常数τ
state2
；
10.s200：基于所述第一目标状态常数τ
state1
对reset激励进行调控，以及基于所述第二目标状态常数τ
state2
对set激励进行调控；
11.s300：基于调控后的set激励以及调控后的reset激励随机生成第一状态或第二状态并读取；
12.s400：重复执行步骤s300 n次，以获得随机电报信号，所述随机电报信号的第一状态常数和第二状态常数分别为输入的第一目标状态常数和第二目标状态常数。
13.优选的，步骤s100中，所述reset激励和set激励均为电流激励或电压激励。
14.优选的，步骤s200中，对set激励进行调控前，需要对reset激励进行固定。
15.优选的，步骤s200中，基于下式对reset激励进行调控：
[0016][0017]
其中，τ
state1
表示第一目标状态常数，p
state1-state2
表示第一状态转换为第二状态的概率，该概率受reset激励控制。
[0018]
优选的，基于下式对set激励进行调控：
[0019][0020]
其中，τ
state2
表示第二目标状态常数，p
state2-state1
表示第二状态转换为第一状态的概率，该概率受set激励控制。
[0021]
优选的，步骤s300中，所述第一状态为高阻态，所述第二状态为低阻态。
[0022]
本公开还提供一种随机电报信号生成器，包括：
[0023]
输入单元，用于输入第一目标状态常数τ
state1
以及第二目标状态常数τ
state2
；
[0024]
调控单元，用于基于所述第一目标状态常数τ
state1
对reset激励进行调控，以及基于所述第二目标状态常数τ
state2
对set激励进行调控；
[0025]
生成单元，用于基于调控后的set激励以及调控后的reset激励随机生成第一状态或第二状态，并进一步生成随机电报信号。
[0026]
优选的，所述调控单元包括微处理器。
[0027]
优选的，所述生成单元包括存储器。
[0028]
本公开还提供一种计算机存储介质，包括：
[0029]
存储器，用于存储多条计算机指令；
[0030]
处理器，用于执行所述计算机指令以实现如前任一所述的方法。
[0031]
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
[0032]
1、本公开利用新型存储器在特定脉冲激励下生成随机电报信号，内在随机性容易提取、操作复杂度低，与现有的随机电报噪声生成技术相比，无需预先在大批量硬件阵列中进行器件选择，无需实施提高吞吐量的特殊交流操作，节约了生产成本，并且生成了可靠、稳定的随机电报信号；
[0033]
2、通过电学操作可以对随机电报信号进行调控，实现独立控制随机电报信号的状态常数，与现有的随机电报噪声生成技术相比，无需对输出信号进行校准、去偏等操作来满足应用需求，可经调控后直接应用不同电路，极大减小了硬件面积及功耗。
附图说明
[0034]
图1为本公开一个实施例提供的随机电报信号的生成示意图；
[0035]
图2为本公开另一个实施例提供的状态常数示意图；
[0036]
图3是本公开另一个实施例提出的一种随机电报信号生成器的结构示意图；
[0037]
图4(a)为本公开另一个实施例提供的set激励固定后状态常数对reset激励的依赖关系示意图；
[0038]
图4(b)为本公开另一个实施例提供的reset激励固定后状态常数对set激励的依赖关系示意图。
具体实施方式
[0039]
下面将参照附图1至图4(b)详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以通过各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0040]
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0041]
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
[0042]
一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种随机电报信号生成方法，包括如下步骤：
[0043]
s100：输入第一目标状态常数τ
state1
以及第二目标状态常数τ
state2
；
[0044]
s200：基于所述第一目标状态常数τ
state1
对reset激励进行调控，以及基于所述第二目标状态常数τ
state2
对set激励进行调控；
[0045]
s300：基于调控后的set激励以及调控后的reset激励随机生成第一状态或第二状态并读取；
[0046]
s400：重复执行步骤s300 n次，以获得随机电报信号，所述随机电报信号的第一状态常数和第二状态常数分别为输入的第一目标状态常数和第二目标状态常数。
[0047]
图2为本公开所述生成随机电报信号的状态常数示意图，状态常数是随机电报信号的重要参数。所述随机电报信号是指存储器的电参数(本实施例中具体指阻值)在两种状态(本实施例中具体指高阻态和低阻态)之间发生二元波动的信号。存储器根据阻值情况定义为第一状态和第二状态两种状态，存储器在两种阻值状态之间波动时每种状态随机持续一定时间分别为t
state1
、t
state2
，持续时间的平均时间分别定义为第一目标状态常数和第二目标状态常数
[0048]
上述实施例构成了本公开的完整技术方案，本实施例能够在特定脉冲激励下生成随机电报信号，内在随机性容易提取、操作复杂度低，与现有的随机电报噪声生成技术相比，无需预先在大批量硬件阵列中进行器件选择，无需实施提高吞吐量的特殊交流操作，节约了生产成本，并且生成了可靠、稳定的随机电报信号。应用时可通过电学操作独立控制随机电报信号的状态常数，无需对输出信号进行复杂后处理，极大减小了硬件面积及功耗。
[0049]
另一个实施例中，步骤s100中，所述reset激励和set激励均为电流激励或电压激励。
[0050]
另一个实施例中，步骤s200中，对set激励进行调控前，需要对reset激励进行固定。
[0051]
本实施例中，通过调控reset激励和set激励的电流或电压的脉冲幅值或脉冲宽度
以实现对reset激励和set激励的调控。
[0052]
另一个实施例中，步骤s200中，基于下式对reset激励进行调控：
[0053][0054]
其中，τ
state1
表示第一目标状态常数，p
state1-state2
表示第一状态转换为第二状态的概率,该概率受reset激励控制。
[0055]
另一个实施例中，基于下式对set激励进行调控：
[0056][0057]
其中，τ
state
2表示第二目标状态常数，p
state2-state1
表示第二状态转换为第一状态的概率,该概率受set激励控制。
[0058]
另一个实施例中，如图3所示，本公开还提供一种随机电报信号生成器，包括：
[0059]
输入单元，用于输入第一目标状态常数τ
state1
以及第二目标状态常数τ
state2
；
[0060]
调控单元，用于基于所述第一目标状态常数τ
state1
对reset激励进行调控，以及基于所述第二目标状态常数τ
state2
对set激励进行调控；
[0061]
生成单元，用于基于调控后的set激励以及调控后的reset激励随机生成第一状态或第二状态，并进一步生成随机电报信号。随机电报信号的第一状态常数和第二状态常数分别为输入的第一目标状态常数和第二目标状态常数。
[0062]
另一个实施例中，所述调控单元包括微处理器。
[0063]
另一个实施例中，所述生成单元包括存储器。
[0064]
本实施例中，所述存储器为新型存储器，包括但不限于磁性随机存储器、阻变存储器、相变存储器、铁电存储器和双向阈值开关。其中，优选采用磁性随机存储器，该存储器为三明治结构，包括自由层、隧穿层和钉扎层。其中，自由层和钉扎层由铁磁材料构成，包括但不限于nife、cofe、cofeb等；隧穿层由非磁绝缘材料构成，包括但不限于mgo、al2o3、al2mgo4、zno、hfo2和tao2等。优选的，自由层和钉扎层均采用cofeb，隧穿层采用mgo。磁性随机存储器的两种状态分别为：状态1为高阻态，阻值约为8kω，记为ap态；状态2为低阻态，阻值约为4kω，记为p态。
[0065]
图4(a)至图4(b)为第一目标状态常数τ
state1
和第二目标状态常数τ
state2
的关系示意图。其中，图4(a)为set激励固定后状态常数对reset激励的依赖关系。图4(a)中，set激励固定为280mv，reset激励为-350mv
–‑
390mv，第一目标状态常数τ
state1
随着reset激励幅值增加而减小，第二目标状态常数τ
state2
随着reset激励幅值增加而增加。图4(b)为reset激励固定后状态常数对set激励的依赖关系。图4(b)中，reset激励固定为-370mv，set激励为270mv
–
310mv，第一目标状态常数τ
state1
随着set激励幅值增加不发生变化，第二目标状态常数τ
state2
随着set激励幅值增加而减小。需要说明的是，其他激励幅值同样符合该依赖关系。状态常数对set激励和reset激励的脉冲幅值有不同的依赖关系。随着reset激励幅值增大，第一目标状态常数τ
state1
减小，第二目标状态常数τ
state2
增加。相反，随着set激励幅值增加，而第一目标状态常数τ
state1
保持不变，第二目标状态常数τ
state2
减小。即第一目标状态常数τ
state1
只与reset激励存在依赖关系，第二目标状态常数τ
state2
与reset、set激励均存在依赖关系，因此调控措施中调控set激励以获得第二目标状态常数前需要固定reset激励。
[0066]
另一个实施例中，本公开还提供一种计算机存储介质，包括：
[0067]
存储器，用于存储多条计算机指令；
[0068]
处理器，用于执行所述计算机指令以实现如前任一所述的方法。
[0069]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施方案进行了详细的描述，但是本领域的技术人员应该理解，以上实施方案仅为本发明优选的实施示例，并不仅仅局限于上述的具体实施方案。详尽的说明知识为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或变动都应当包含在本发明的保护范围之中。

技术特征：
1.一种随机电报信号生成方法，包括如下步骤：s100：输入第一目标状态常数τ
state1
以及第二目标状态常数τ
state2
；s200：基于所述第一目标状态常数τ
state1
对reset激励进行调控，以及基于所述第二目标状态常数τ
state2
对set激励进行调控；s300：基于调控后的set激励以及调控后的reset激励随机生成第一状态或第二状态并读取；s400：重复执行步骤s300 n次，以获得随机电报信号，所述随机电报信号的第一状态常数和第二状态常数分别为输入的第一目标状态常数和第二目标状态常数。2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，步骤s100中，所述reset激励和set激励均为电流激励或电压激励。3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤s200中，对set激励进行调控前，需要对reset激励的值进行固定。4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤s200中，基于下式对reset激励进行调控：其中，τ
state1
表示第一目标状态常数，p
state1-state2
表示第一状态转换为第二状态的概率，该概率受reset激励控制。5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤s200中，基于下式对set激励进行调控：其中，τ
state2
表示第二目标状态常数，p
state2-state1
表示第二状态转换为第一状态的概率，该概率受set激励控制。6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤s300中，所述第一状态为高阻态，所述第二状态为低阻态。7.一种随机电报信号生成器，包括：输入单元，用于输入第一目标状态常数τ
state1
以及第二目标状态常数τ
state2
；调控单元，用于基于所述第一目标状态常数τ
state1
对reset激励进行调控，以及基于所述第二目标状态常数τ
state2
对set激励进行调控；生成单元，用于基于调控后的set激励以及调控后的reset激励随机生成第一状态或第二状态，并进一步生成随机电报信号。8.根据权利要求7所述的生成器，其中，所述调控单元包括微处理器。9.根据权利要求7所述的生成器，其中，所述生成单元包括存储器。10.一种计算机存储介质，包括：存储器，用于存储多条计算机指令；处理器，用于执行所述计算机指令以实现权利要求1至6任一所述的方法。

技术总结
本公开揭示了一种随机电报信号生成方法，包括：S100：输入第一目标状态常数τ


技术研发人员：柴正 简佳佳 袁玺惠 周雪 闵泰
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/8/28