65-nm CMOS teknolojisinde tamamen dijital bir gerçek rastgele sayı üreticisinin özel tasarımı

Rastgele sayı üreticisi (RNG), çok çeşitli uygulamalar için temel bir bileşendir. Uzun yıllardır kullanılan bu yapılar günden güne geliştirilmektedir. Özellikle dijital dünyanın hakim olduğu günümüzde, bilgisayar ve akıllı cihazlarda olmazsa olmaz yapılardan biridir. Birçok tasarım uygulamaları, oyunlar, simülasyon programları, şifre oluşturan programlar, korumalı iletişim protokolleri, bir RNG'ye ihtiyaç duyar. RNG'ler genellikle iki farklı kategoride incelenir. İlk tip olan sözde-RNG (PRNG), sıklıkla yazılım tabanlı oluşturup deterministik bir algoritmayla çalışır. Kolay bir şekilde tasarlanabilip mükemmel istatistiksel özelliklerde rastgele sayılar üretebildiği için güvenlik gereksinimi gerektirmeyen uygulamalarda tercih edilir. İkinci tip olan gerçek rastgele sayı üreticisi (TRNG) ise sıklıkla kriptografik uygulamalar için kullanır. TRNG'de aranan en önemli özelliklerden birisi, tahmin edilemeyen gerçek bir rastegele sayı dizisi üretmesidir. Bu yüzden, deterministik olmayan doğal bir kaynağa ihtiyaç duyar. TRNG'ler bu ihtiyacı karşılamak için fiziksel olguları kullanan bir entropi kaynağı kullanır. Bu çalışmada 65-nm CMOS teknolojisi kullanılarak özel bir TRNG tasarımı sunulur. Bu tasarım metastabilite tabanlı olup, dinamik bir komparatör topolojisine sahip bir yapıya dijital bloklar eklenerek oluşturulur. Tasarımın amacı olabildiğince küçük bir alanda yüksek bir entropi değerine, düşük güç tüketimine ve yüksek çıktı verimine sahip bir devre oluşturmaktır. Tasarlanan devrenin farklı koşullarda çalışabilmesini sağlamak için farklı teknoloji-gerilim-sıcaklık (PVT) köşelerinde simülasyonlar ile doğrulanmıştır.