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量子密钥分发(QKD)系统对真随机数有着实时而大量的需求。且随着QKD系统升级和未来小型化发展需要,现有商用真随机数芯片与一些科研阶段的高速真随机数产生设备,均不能同时满足速度和体积的要求。为此,QKD系统升级需求提出设计具有多通道的高速真随机数产生器的半导体芯片。高速真随机数产生芯片需要满足以下需求:1.每路真随机数产生率最高数据率需要达到1 Gbps,真随机数的输出需要为定频输出,对于每一个请求(时钟),必须有一位真随机数的输出;2.单芯片需要集成10路独立的真随机数产生通道,以满足量子光源在指定发生频率时,对真随机数的并行需求;3.体积和功耗尽量控制,以方便系统的升级和集成化设计。为了实现上述目标,针对现有真随机数产生方案进行研究,并选择能容易且可靠的以半导体芯片形式实现的数字电路时钟抖动采样方案。首先对真随机产生器的结构进行了数学分析,并使用FPGA对方案进行拓扑结构原型验证;再利用半导体CMOS工艺完成了芯片设计,通过MPW形式进行了流片加工,并进行了芯片封装和测试。最后利用配套的高速真随机数验证系统采集真随机数,用于NIST随机数测试。最终,真随机数产生器原型芯片实现了如下指标,成功完成预期设计目标。1.在6mm×6mm的QFN48封装内,实现了 10通道独立的真随机数产生器,单通道支持定频最高数据率1 Gbps。2.在3.3 V IO电源和1.2 V核心电源供电,1 Gbps数据产生率,10通道全开的条件下,典型功耗为800 mW。3.在1 Gbps的数据产生率条件下,产生的真随机数可以通过NIST随机数质量验证。本论文的创新点主要表现在如下几个方面:1.在6mmX6mm的QFN48封装内,实现了 10通道独立的真随机数产生器,每通道数据产生率可达1Gbps,芯片具有高速高集成度的特点。2.建立了完备的真随机数测试平台,完成了芯片的随机性验证。测试结果表明,其真随机性能够满足NIST标准要求。3.开发了真随机数验证系统的多通道速度匹配技术,实现了各通道数据的同步获取,化简了验证工作。