利用混合NbO2和原子涨落熵源架构克服振荡型TRNG中的权衡问题

《Advanced Electronic Materials》：Overcoming the Trade-off in Oscillatory TRNGs With a Hybrid NbO2 and Atomic Fluctuation Entropy Source Architecture

　　

阈值开关器件因其高速度和内在非线性特性，在真随机数生成器（TRNG）应用中引起了广泛关注，然而实际实现中常常受限于速度不足或随机性不够。本研究提出了一种混合TRNG，通过协同耦合快速的NbO₂绝缘体-金属转变（IMT）振荡器与随机性Ag/Ge₂Sb₂Te₅原子开关来解决这一问题。研究人员方法的核心在于一种新颖的熵放大机制。原子开关的随机电阻迫使振荡器进入一种周期被量化为一个主负微分电阻（NDR）-2周期与整数倍（N）个NDR-1周期之和的状态。这种离散、多模态周期状态的生成最大化了每个周期提取的熵。因此，研究人员混合器件在实现2.5 Mbit/s的高吞吐量和80 pJ/bit的能效的同时，展现出优异的耐久性（>10⁷次循环）。生成的比特流成功通过了所有NIST SP 800-22测试，证实了这种周期量化机制为克服基于硬件的TRNG中的传统权衡提供了一条稳健的路径。

**论文解读：基于混合NbO₂与原子涨落熵源架构的振荡型TRNG权衡突破**

**研究背景与问题**
随着物联网和边缘设备的迅猛发展，大量敏感数据在通信与处理环节面临窃取和未授权访问的严重威胁。真随机数生成器（TRNG）依赖物理过程中的内在随机性，构成现代密码学的基石，但现有方案面临吞吐量与功耗之间的根本性权衡。例如，基于绝缘体-金属转变（IMT）材料（如NbO₂、VO₂）的振荡器虽然能产生纳秒级高速振荡，但其固有的稳定性导致熵值低，需要长测量周期累积随机性，有效吞吐量仅为数十至数百kbit/s，且功耗较高。相反，基于原子开关（如Ag/Ge₂Sb₂Te₅）的TRNG利用随机阈值开关或弛豫过程提供优良随机性，但受限于慢速操作，吞吐量受限。这一矛盾——高速器件需高功耗获取低质量随机性，而高随机性器件吞吐量低下——成为高性能片上TRNG部署的主要障碍。

**研究内容与意义**
研究人员提出并验证了一种混合TRNG架构，将高速NbO₂基IMT振荡器与高度随机的原子开关串联耦合，通过协同放大机制同时实现高吞吐量和优良随机性。核心创新在于两种器件的正反馈循环：IMT振荡器对原子开关施加快速周期性的热与电刺激，诱导其电阻发生随机细微变化，这些变化反过来强烈调制振荡周期，从而产生多模态、量子化的周期分布。该架构成功打破了传统权衡，在获得2.5 Mbit/s吞吐量和80 pJ/bit能效的同时，实现了>10⁷次循环耐久性，且生成比特流通过全部NIST SP 800-22测试。该工作发表在《Advanced Electronic Materials》上，为下一代高性能、低功耗、可集成的片上TRNG提供了有效策略。

**主要关键技术方法**
- 器件制备：采用两次光刻工艺，在N×M交叉阵列上分别沉积原子开关（Ag/Ge₂Sb₂Te₅/W堆叠，底部电极直径100 nm）和IMT器件（W/NbO₂/W堆叠），通过共享底部电极实现横向集成。
- 电学测量：使用半导体参数分析仪（Keysight B1500A）配备波形发生器/快速测量单元（WGFMU）、函数发生器（Keysight 81160A）和示波器（Keysight Infiniium S），在室温大气压下进行直流与瞬态测试。
- 随机数提取：将混合振荡器输出经比较器（阈值10 mV）数字化，再用T触发器在每个上升沿翻转状态，以400 ns间隔采样生成最终比特流。
- 性能评估：通过NIST SP 800-22统计测试套件验证随机性，并计算香农熵、最小熵及非独立同分布分析。

**研究结果**
**2.1 结构与工作原理**
研究人员提出并制造了串联的原子开关-IMT混合振荡器。原子开关的Ag/Ge₂Sb₂Te₅堆叠表现出挥发性阈值开关特性，其阈值电压（V_th）和保持电压（V_h）分布宽（σ/μ分别为0.087和0.48），源于丝状成核与断裂的随机性。相比之下，NbO₂ IMT器件因电热相变驱动，具有稳定的开关特性（σ/μ ~0.0095）。混合器件中，IMT的快速振荡（平均周期22 ns，标准差2 ns）对原子开关施加周期性电压刺激，引起其电阻的随机调制，进而通过正反馈放大振荡周期熵。

**2.2 多模态随机振荡的物理起源**
通过电流扫描测量NbO₂ IMT的S形I-V曲线，发现两个不同的负微分电阻（NDR）区域：NDR-1（Poole-Frenkel传导主导，浅S形负斜率）和NDR-2（Mott转变，尖锐回跳）。混合器件输出波形表现为大振幅NDR-2尖峰与小振幅高频NDR-1振荡共存。周期直方图显示，仅IMT的对照振荡器σ/μ ≈0.09，呈单峰分布；而混合器件σ/μ ≈0.79，呈现复杂的多模态分布。每个峰值可解释为一个主NDR-2周期后跟随整数个（N）NDR-1周期，即周期≈T_NDR-2 + nT_NDR-1。原子开关的电阻状态决定充电程度：低电阻态允许充分充电触发NDR-2切换，高电阻态仅能支持NDR-1振荡。热辅助丝状调制（焦耳热增强Ag离子扩散）导致周期性的模态切换。

**2.3 可靠性及耐久性**
单独原子开关的弛豫时间与电阻呈幂律关系（τ ∝ R^?1.9），固有弛豫时间（微秒级）远长于振荡周期（纳秒级），表明混合振荡器中的焦耳热显著加速了丝状动力学。单独原子开关经约3000次脉冲后因Ag离子不可逆积累失效（ON/OFF比约250）。然而，混合器件在>10⁷次循环后仍保持多模态周期分布，σ/μ值从0.64变为0.76，耐久性提升约10⁴倍。这是因为混合操作仅依赖已形成丝状的小幅度电阻调制，参与原子数远少于完全断裂/重建过程，从而延长了寿命。

**2.4 随机比特生成与统计验证**
通过比较器（阈值10 mV）和T触发器将模拟信号转换为数字比特流，再以400 ns间隔采样。边际香农熵约0.999998 bit/bit，最小熵0.9978，非独立同分布分析表明时间相关性弱。1.5 Mbit比特流分成15个100 kbit序列，全部通过NIST SP 800-22的15项测试（Universal、Random Excursions及Random Excursions Variant因序列长度未计算P值，但通过率100%）。性能对比显示，该器件以2.5 Mbit/s吞吐量和80 pJ/bit能效，位于经验权衡线以下的右下区域，优于多数现有方案。此优势源于原子开关的细微涨落被IMT振荡器动态放大，解耦了熵生成与振荡机制，打破了单器件系统的功率-速度瓶颈。

**结论与讨论**
研究人员总结认为，通过将随机Ag/Ge₂Sb₂Te₅原子开关与确定性NbO₂ IMT振荡器串联，构建了耦合反馈架构，其中原子开关的随机电阻调制通过IMT振荡动力学被放大。观察到的多模态周期分布支持周期量子化解释：振荡周期由一个主NDR-2周期和整数个前置NDR-1周期组成，这为混合振荡器中增强的熵生成提供了物理依据。混合器件在细微电阻调制模式下工作，耐久性超过10⁷次，比单独原子开关提升约10⁴倍。最终数字化比特流通过所有NIST SP 800-22测试，验证了其作为真随机源的质量。在2.5 Mbit/s吞吐量和80 pJ/bit能效下，结果表明，不同物理开关机制的共生整合是开发同时具备高速、高效和稳健性的下一代片上TRNG的有效策略。此外，该架构因NbO₂与Ge₂Sb₂Te₅均与后道（BEOL）工艺兼容（≤400°C），可通过垂直3D堆叠实现单片集成，具有可扩展性。