学位论文简介
真随机数发生器通过提取外界物理随机事件生成不可预测的真随机序列，可为所有安全系统提供具有更高安全级别的硬件可信根，本文聚焦安全数据处理中心和轻量级边缘设备两大场景，从电路设计、模型构建、硬件实现等维度，开展分别具有高能效和超高吞吐量的多款真随机数发生器设计，并研究针对高性能计算的相关应用，取得了以下主要创新性研究成果：
(1)抖动精确量化叠加的 STR 熵源电路：本文提出了一种抖动精确量化叠加的自定时环（Self-Timed Ring，STR）熵源电路。首先，分析了 STR 的独立抖动和高频振荡特性，为抖动覆盖率的提升提供理论支撑。其次，利用 Muller-C 单元构建能够完成抖动精确量化的 STR 熵源结构，并且通过随机采样的方式提高输出熵。最终，我们实现了一款基于 STR 的 TRNG 电路。实验表明，该 TRNG 具有稳定的随机性，通过了标准化测试，并且实现了吞吐量的有效提升。
(2)多通道四面体混沌后处理结构：本文提出了一种多通道四面体混沌后处理结构，实现独立真随机序列多通道输出。首先，设计了一种亚稳态强化环，通过频繁的路径切换提高亚稳态发生概率。其次，通过分析GARO振荡特性引入一种优化的反馈异或环，从而构建四面体多通道后处理结构，并验证了各通道数据间的独立性。最终实验评估表明，所提出的四面体TRNG在Xilinx Artix-7 FPGA中具有2.2Gbps的高吞吐量。
(3)动态混合TRNG及设计自动化探索：本文提出一种动态混合TRNG及设计自动化探索方案。首先，设计动态混合熵单元，其通过随机信号控制路径动态切换，实现抖动和亚稳态的同步采样。其次，提出“反馈”和“耦合”两种策略强化随机性。最终，所设计的TRNG仅占用8个Slice实现了620Mbps的吞吐量，关键性能指标Throughput/(Area·Power)达到了1139.7，保持了当前公开文献的最高值。另外，本文还提出一种自动化探索方案，通过自动化设计TRNG电路结构，进一步减小了硬件开销，以使其适用于轻量级设备。
(4)基于鲁棒性MTJ TRNG的随机计算应用：本文提出一种轻量级高鲁棒MTJ TRNG。首先，通过分析MTJ的切换概率特性，提出偏差校正的设计思想。然后，设计均匀选择输出的MTJ TRNG电路，并进行详细的状态分析和熵估计。最后，将其应用于轻量级随机计算电路中。实验表明，该TRNG具有125Mbps的吞吐量和仅1.6pJ/bit的能耗，温度鲁棒性明显提升。其所构建的随机计算电路精度良好且面积极小，在图像边缘检测中展现出很好的处理效果。
主要学术成果
[1]Yuan Zhang, Kuncai Zhong, and Jiliang Zhang. DH-TRNG: A Dynamic Hybrid TRNG with Ultra-High Throughput and Area-Energy Efficiency[C]. 61st ACM/IEEE Design Automation Conference (DAC), San Francisco, CA, USA, 2024. （CCF A，本人一作）
[2]Yuan Zhang, Kuncai Zhong, and Jiliang Zhang. High Throughput and Compact FPGA TRNGs Based on Hybrid Entropy, Reinforcement Strategies, and Automated Exploration[J]. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems (TCAD), 2025. （CCF A，本人一作）
[3]Yuan Zhang, and Jiliang Zhang. A High Throughput STR-based TRNG by Jitter Precise Quantization Superposing[J]. ACM Transactions on Design Automation of Electronic Systems (TODAES), 2023. （CCF B，本人一作）
[4]Yuan Zhang, and Jiliang Zhang. MCT-TRNG: Multi-Channel Tetrahedral TRNG via Metastability Enhanced Entropy with 2.2Gbps Throughput[J]. ACM Transactions on Reconfigurable Technology and Systems (TRETS), 2025. (CCF B，本人一作)
[5]张源, 罗静茹, 张吉良. SDL PUF: 高可靠自适应偏差锁定PUF电路[J]. 电子与信息学报, 2024. (CCF T1，本人一作)
[6]Zesheng Chen, Yuan Zhang, and Chaoqun Shen. A Reconfigurable MRAM PUF with High Reliability[J]. Microelectronics Journal, 2025. (SCI三区，本人共同一作)
