Circuitos para geração de BITS aleatórios por Random Telegraph Noise

Abstract

Um aspecto do cérebro que tem sido amplamente citado em estudos de computação neuromórfica, mas que na prática não tem sido sistematicamente explorado, é o ruído. Este trabalho junta-se à ideia de abarcar, em vez de combater, o ruído em sistemas computacionais. Exploramos a fabricação de circuitos TRNG (geradores de números aleatórios verdadeiros) altamente confiáveis e de baixo consumo de energia, explorando os sinais de corrente de ruído de telégrafo aleatório (RTN) produzidos por ReRAMs (memórias de chaveamento resistivo) ou transistores MOS. Este trabalho investiga o uso do RTN como fonte de entropia para a geração de bits aleatórios em circuitos eletrônicos. Duas topologias distintas foram implementadas: uma baseada em comparadores de tensão e outra em filtros passa-altas. Para a captura e digitalização dos sinais RTN, foram projetados e simulados circuitos, incluindo um amplificador operacional CMOS de dois estágios, filtros passa-baixas de primeira e segunda ordem com aproximação Butterworth, e um buffer composto por dois inversores em cascata. A implementação utiliza a tecnologia Google Skywater 130nm O amplificador operacional, com ganho projetado de 3000, demonstrou estabilidade e comporta mento adequado, mesmo com pequenas imperfeições. Os testes realizados nos filtros passa-baixas e no buffer confirmaram o funcionamento esperado, com destaque para a escolha de um filtro passa-baixas de 1 Hz de primeira ordem na topologia que utiliza comparador de tensão. A topo logia de comparador de tensão operou a partir de 600 µV e 5 Hz, enquanto a topologia de filtro passa-altas funcionou a partir de 500 µV e 50 Hz. A topologia de comparador de tensão ofereceu um sinal mais íntegro, enquanto a topologia de filtro passa-altas destacou-se pela simplicidade de implementação. Este estudo valida o uso do RTN como uma fonte eficaz para TRNGs, estabelecendo uma base sólida para o desenvolvimento de circuitos integrados com potencial para aprimorar a segurança em sistemas eletrônicos

An aspect of the brain that has been widely cited in neuromorphic computing studies but has not been systematically explored in practice is noise. This work aligns with the idea of embracing, rather than combating, noise in computational systems. We explore the fabrication of highly reliable and low-power TRNG (True Random Number Generator) circuits by leveraging random telegraph noise (RTN) current signals produced by ReRAMs (resistive switching memories) or MOS transistors. This work investigates the use of RTN as a source of entropy for generating random bits in electronic circuits. Two distinct topologies were implemented: one based on voltage comparators and the other on high-pass filters. To capture and digitize the RTN signals, circuits were designed and simulated, including a two-stage CMOS operational amplifier, first and second-order low-pass filters with Butterworth approximation, and a buffer composed of two inverters in cascade. The implementation uses the Google Skywater 130nm technology. The operational amplifier, with a designed gain of 3000, demonstrated stability and adequate behavior, even with minor imperfections. Tests conducted on the low-pass filters and buffer confirmed the expected performance, with emphasis on the choice of a first-order 1 Hz low-pass filter in the topology using the voltage comparator. The voltage comparator topology operated from 600 µV and 5 Hz, while the high-pass filter topology functioned from 500 µV and 50 Hz. The voltage comparator topology offered a more intact signal, while the high-pass filter topology stood out for its simplicity of implementation. This study validates the use of RTN as an effective source for TRNGs, establishing a solid foundation for the development of integrated circuits with the potential to enhance security in electronic systems