| 研究課題/領域番号 |
20K05309
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| 研究機関 | 東京工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
水戸 慎一郎 東京工業高等専門学校, 電子工学科, 准教授 (10637268)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 物理乱数生成 / 磁性ガーネット / 磁気光学 / 磁区 / イメージセンサ |
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| 研究実績の概要 |
磁気光学材料の磁区パターンをイメージセンサで読み取り、ノイズ源とする小型高速型物理乱数生成器の実現を目指し、①乱数生成に適した磁気光学材料の作製、②磁区パターンをノイズ源とする乱数生成アルゴリズムの開発、③小型ハードウェアの試作を行った。乱数生成に適した磁気光学材料として、ビスマス・テルビウム・イッテルビウム鉄ガーネット膜に注目し、液相エピタキシー法で厚さ数μmの疑単結晶膜を作成したところ、一般的なイメージセンサのピクセルピッチに近い数μm幅のメイズ状磁区を持つ膜を作成できた。磁区幅とピクセルピッチが近い方が、ノイズ源としてのデータ量が多いと考えられるため、乱数生成に適した膜が得られたと言える。磁区パターンを元にした乱数生成アルゴリズムとして、従来は不要ピクセルの排除や排他的論理和を組み合わせていた。本年度は擬似乱数の知見を取り入れることで、不要ピクセル排除の処理なしでも、乱数検定に合格する乱数を生成できることを確認した。上記の成果をもとに、イメージセンサと磁気光学膜を積み重ねた小型ハードウェアを試作した。イメージセンサとノイズ生成部のサイズは10mm×10mm×5mm程度である。今回は原理実証のため、イメージセンサの読出し回路、および乱数生成用のシングルボードコンピュータを用いており、試作デバイス全体のサイズは150mm×80mm×80mm程度となった。試作デバイスを用いて乱数生成に成功したが、シングルボードコンピュータおよび試作に用いたイメージセンサの性能のため生成速度は3Mbit/sにとどまった。これは、イメージセンサの画素数をFull-HDに向上させ、フレームレートを60Hzにすることで120Mbit/sまで容易に向上可能である。さらに、ビット深度を利用することで安価なイメージセンサでも1.2Gbit/sを達成できると見込んでいる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本研究は、メイズ磁区構造をノイズ源として用いることで、スマートフォン等に組み込み可能かつ、1 Gbit/sを超える乱数生成速度をもつ、真正乱数発生機を目指すするものである。そのために、①乱数生成に適した磁性ガーネット膜の組成を明らかにする、②効率よく高品質な乱数を生み出すためのデータ手法を開発する、③乱数生成器を試作し、応用可能性を探る事を開発目標としている。本研究ではすでに、乱数生成に適した組成としてビスマス・テルビウム・イッテルビウム鉄ガーネット系統が有望であることを見出しており、メイズ磁区を元にした乱数生成アルゴリズムも擬似乱数の知見を生かすことで高速に高品質な乱数を生成できることを確認している。また、すでにイメージセンサとノイズ生成部のサイズが10mm×10mm×5mm程度である小型試作デバイスを作製し、3Mbit/sでの乱数生成を実現しており、当初予定していた研究目標をほぼ達成した状況にある。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究はすでに、乱数生成に適した磁性ガーネットの作製、メイズ磁区パターンをノイズ源とした乱数生成アルゴリズムの開発、小型の概念実証デバイスの作製を達成している。しかし、本研究開発が最終的に目指す、スマートフォン等に組み込み可能かつ，1 Gbit/sを超える乱数生成速度をもつ，真正乱数発生器を実現するためには、主に3点の課題がある。1点目は、磁性ガーネット膜の飽和磁界が50mT程度であるため、磁区のリフレッシュに必要な電力が大きいことである。これを改善するため、磁区幅、磁区構造を維持しつつ、飽和磁化を低減するために組成の最適化等を行う。2点目は、液相エピタキシー法による疑単結晶膜を用いているため、コストが掛かる点である。これを改善するため、スパッタリング法により作製した多結晶膜でも乱数生成を行えるか確認する。3点目は現在の試作デバイスはシングルボードコンピュータで乱数生成処理をしているため処理に時間がかかり、乱数生成速度にも限界がある。そこでFPGAを用いた処理を行い、リアルタイムでGbit/sオーダーの乱数生成を目指す。
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