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ナノ・スケールの単一電子現象を応用した暗号処理用超小型物理乱数生成回路の開発について

2002年12月5日

ナノスケールの起状を有するシリコン表面の原子問力顕微鏡像

 当社は、ナノテクノロジーの一つである、ナノ・スケールの半導体素子において特徴的に現れる単一電子現象を利用することにより、暗号処理チップの超小型化・省電力化を可能にする高レベルの物理乱数生成回路を開発しました。
 ナノスケールの超微細構造で生じる電子の不安定でランダムな動きを暗号処理に必要な乱数として抽出するため、高レベルな乱数生成回路をミクロンサイズに納めることができます。これを用いることで、暗号化された情報を送受信する全ての小型モバイル機器において、高度な暗号処理回路を容易に搭載することが可能です。

 現在、個人情報を保有している電子機器の多くには、情報漏洩防止のために、機器の回路内において、暗号技術が使われており、個人データを暗号鍵にて暗号化し、情報を保護しています。この暗号鍵が外部に漏れると、暗号化した個人情報を復号化することができるため、暗号鍵を読み出せないように、乱数を用いて多段的に暗号化するという処理が行われます。乱数が真にランダムなものでないと、この処理の効果が脆弱になります。
 現在、実用化されている精度の高い物理乱数生成回路は、乱数源→増幅器→アナログ・デジタル変換器→ソフト処理→乱数といった乱数生成手順を踏んでおり、回路自体が大きく、100mm〜10mm程度までしか小型化できませんでした。一方、小型の機器では、擬似乱数生成回路が使われていますが、その回路以外に乱数精度を上げるため、擬似乱数を再攪拌するソフト回路が必要となるため、さらに小型化をするには限界がありました。

 当社は今回、電子1個が通れるほどのナノ構造において、電子が準不安定な場所を選んで不規則に流れるという単一電子現象に着目し、単一電子素子の回路としての不安定さを乱数生成に応用し、外付けの回路も不要で、かつ極めて不規則で非周期的な信号を抽出できる回路をつくることに成功しました。

本乱数生成回路の特長は以下のとおりです。

1. 膜厚2.5nm以下のシリコン薄膜による単一電子回路
電子1個1個の動作を制御し、将来の超低消費電力LSIを可能にする究極のデバイスと言われる単一電子回路技術を応用しています。
膜厚2.5ナノメートル以下という極めて薄いシリコン層を実現し、その表面に薬品によって微細な(ナノメートル・スケールの)起伏を形成することで、スイッチング素子として機能する単一電子トランジスタ(SET)に必要なナノメートル・スケールの微細なドットを作製し、2桁のON電流/OFF電流比を室温で実現しました。
   
2. 単一電子現象を乱数生成回路に活用
スイッチング素子として機能する単一電子トランジスタ(SET)のON電流/OFF電流を活用して乱数を生成しています。
素子の表面には微細な(ナノメートル・スケール)の起伏が形成されていますが、その起伏はランダムに形成されています。
通電している間に、1個の電子が瞬間的にその流れから外れた素子表面の準安定な一定の地点に移動し、停滞することがあり、この電子の停滞の有無による電流の変化、(電子が停滞した場合に電場の影響を受け、電子が流れなくなる。)によってON電流とOFF電流が極めてランダムに発生します。
この電流の変化を乱数として直接利用しています。
   
3. 超小型、省電力の高レベル乱数生成回路が実現可能
従来、100mm〜10mm角であった物理乱数生成回路を1micronm角程度まで小型化可能です。
また、単一電子乱数生成回路の場合、省電力化が可能となり、従来の物理乱数生成回路に比較して約1000万分の一の1.5nW程度まで省電力化できます。
素子の表面にある微細(ナノメートル・スケール)スケールの起伏を利用して、ON/OFF電流を発生させ、乱数を生成するため、非周期的で、ランダムな乱数を得ることができます。
従来の物理乱数回路は乱数源→増幅器→アナログ・デジタル変換器→ソフト処理→乱数といった順に乱数を生成していましたが、本回路では、単一電子現象を応用することにより、乱数源から直接乱数を生成することが可能となるため、乱数生成手順が大幅に減り、省電力化することが可能となります。

 本開発成果は、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)からの委託を受けて実施した量子化機能素子での研究成果を土台として、これをIT分野に応用し、通信・放送機構(TAO)からの委託研究により、実施したものです。

 なお、この乱数生成回路は、12月9日より米国サンフランシスコにて開催される電子デバイスの国際会議IEDM(IEEE International Electron Devices Meeting)にて論文発表します。本論文は、ハイライトペーパー(注目すべき論文)に選ばれております。


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