(57)【要約】【課題】  乱数を発生させる乱数発生器に関し、容易に小型化を実現する。【解決手段】  強磁性材料からなり電流供給を受ける強磁性細線１０と、強磁性細線１０と交差し電流供給を受けてその強磁性細線を磁化させる磁化線２０と、磁化線２０および強磁性細線１０に電流を供給する電流供給回路５０と、強磁性細線の電気抵抗値を測定する抵抗測定回路と、抵抗測定回路により測定された強磁性細線の電気抵抗値に基づく乱数を生成する乱数生成回路とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性材料からなり電流供給を受ける強磁性ラインと、
前記強磁性ラインと交差し電流供給を受けて該強磁性ラインを磁化させる磁化ラインと、
前記磁化ラインおよび前記強磁性ラインに電流を供給する電流供給部と、
前記強磁性ラインの電気抵抗値を測定する抵抗測定部と、
前記抵抗測定部により測定された前記強磁性ラインの電気抵抗値に基づく乱数を生成する乱数生成部とを備えたことを特徴とする乱数発生器。
【請求項２】
前記電流供給部に前記磁化ラインおよび前記強磁性ラインに電流を供給させ、前記抵抗測定部に前記強磁性ラインの電気抵抗を測定させる第１の制御シーケンスを繰り返し実行するシーケンス制御部を備えたことを特徴とする請求項１記載の乱数発生器。
【請求項３】
磁場を発生させ前記強磁性ラインに磁場を作用させることにより該強磁性ラインを初期化する磁場発生部をさらに備え、
前記シーケンス制御部は、前記第１の制御シーケンスを繰り返し実行することに加え、さらに、前記磁場発生部に磁場を発生させて前記強磁性ラインを初期化させ、前記抵抗測定部に、前記初期化の後であって、かつ、前記磁化ラインおよび前記強磁性ラインへの電流供給に先立って前記強磁性ラインの電気抵抗値を測定させる第２の制御シーケンスを実行するものであることを特徴とする請求項２記載の乱数発生器。
【請求項４】
前記シーケンス制御部は、前記第２の制御シーケンスを、前記第１の制御シーケンスと交互に、繰り返し実行するものであることを特徴とする請求項３記載の乱数発生器。
【請求項５】
前記磁化ラインが、前記強磁性ライン上の第１点で該強磁性ラインに接触して交差するものであり、さらに
前記強磁性ラインの第２点に接する測定ラインを備え、
前記抵抗測定部が、前記磁化ラインと前記測定ラインをプローブにして前記強磁性ラインの第１点と第２点との間の電気抵抗値を測定するものであることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項記載の乱数発生器。
【請求項６】
前記電流供給部が、前記磁化ライン上を、前記強磁性ラインと交差して流れる第１の電流と、前記測定ライン、前記強磁性ライン、および前記磁化ラインを経由して流れる第２の電流とを同時に供給するものであることを特徴とする請求項５記載の乱数発生器。
【請求項７】
前記強磁性ラインは、該強磁性ラインが破損する原因となる発熱を生じさせる供給電流よりも低い電流レベルの供給電流を受けてキュリー点を越える温度にまで発熱するものであることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項記載の乱数発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件は、乱数を発生させる乱数発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
乱数は、情報のセキュリティを保つための暗号化技術や認証技術などに広く利用されている基盤技術である。
【０００３】
従来より用いられている乱数発生技術の代表的なものとして、放射線の自然崩壊を利用するものや、熱雑音を利用するものなどが知られている。また、線形合同法やＭ系列など算術アルゴリズムを利用して擬似乱数を発生させる方法もよく知られている。
【０００４】
放射線の自然崩壊を利用する場合は被爆の観点から一般製品の運用としては非現実的である。また、熱雑音を利用する場合には、一般にノイズレベルが小さいため信号増幅回路を必要とし、小型化に向かないという問題がある。最近ではＳｉＮ−ＭＯＳＦＥＴを利用することで小型化に成功した例もあるが（例えば、非特許文献１参照）、トランジスタ構造を必要とするため素子構造が複雑になってしまうという問題がある。
【０００５】
一方で、算術アルゴリズムを利用する場合には、そのコードを解読される可能性があることや発生した乱数に偏りが生じることが問題である。
【０００６】
また、特許文献１には、読取り手段が区別できる２種類の粒子を用いた新たな乱数発生方法が提案されているが、この方法は、２種類の粒子を用いて記録媒体への記録という手順を踏む必要があり、電子装置上で乱数情報を手軽に得ることはできない。
【０００７】
また、特許文献２には、磁性体を消磁した後に形成されるランダムな磁区パターンを読み取ってそのランダムな磁区パターンを数値化することにより乱数を発生させる方法が提案されている。しかしながら、この方法は、２次元的に広がる磁性膜上の磁区パターンを読み取る必要があり、構成が複雑化するおそれがある。また、この特許文献２には、磁区パターンをどのようにして読み取るのか詳細は示されていない。
【非特許文献１】東芝レビュー：Ｖｏｌ．５８，Ｎｏ．８，ｐ．４８（２００３）
【特許文献１】特開２００３−１５８６５号公報
【特許文献２】特開２００４−３０２５５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本件開示の乱数発生器の課題は、小型化が容易な構造の乱数発生器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本件開示の乱数発生器は、強磁性材料からなり電流供給を受ける強磁性ラインと、上記強磁性ラインと交差し電流供給を受けてその強磁性ラインを磁化させる磁化ラインと、上記磁化ラインおよび上記強磁性ラインに電流を供給する電流供給部と、上記強磁性ラインの電気抵抗値を測定する抵抗測定部と、抵抗測定部により測定された強磁性ラインの電気抵抗値に基づく乱数を生成する乱数生成部とを備えている。
【００１０】
本件開示の乱数発生器は、磁化ラインおよび強磁性ラインへの電流供給により強磁性ラインに磁壁が不規則に生じることによる電気抵抗値の変化を測定して乱数を発生させるものであり、シンプルな構造であって小型化が容易である。
【発明の効果】
【００１１】
本件開示の乱数発生器によれば、容易に小型化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本件の実施形態について説明する。
【００１３】
図１は、乱数発生器の第１実施形態の主要部の模式図である。
【００１４】
この図１に示す乱数発生器１Ａは、強磁性細線１０と、ＡｕやＣｕなどの良導体で形成された磁化線２０と、同じくＡｕやＣｕなどの良導体で形成された測定線３０が備えられている。さらに、この実施形態では、比較実験のための第２の測定線４０も示されている。
【００１５】
ここで、強磁性細線１０は強磁性材料の１種であるＮｉで作られた線幅３００ｎｍ程度の細線である。また、磁化線２０は、強磁性細線１０の第１点１１でその強磁性細線１０に接して交わる線であり、電流供給回路５０からこの磁化線２０に電流パルスが供給されると、その強磁性細線１０の第１点近傍が磁化される。
【００１６】
また、測定線３０は、強磁性細線１０の第１点１１から４μｍ離れた第２点１２でその強磁性細線１０に接しており、磁化線２０に電流が流れると、この測定線にも、強磁性細線１０の第１点１１と第２点１２との間を経由する電流パルスが流れる。この強磁性細線１０に電流が流れると、その強磁性細線１０に多数のランダムな磁壁１９（図２（Ｂ）参照）が形成される。
【００１７】
図２は、電流パルス供給後のＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；原子間力顕微鏡）の観察結果（Ａ）およびＭＦＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；磁気力顕微鏡）の観察結果（Ｂ）を示す模式図である。
【００１８】
磁化線２０および強磁性細線１０に電流パルスが流れると、強磁性細線１０に形成される磁壁１９はその都度ランダムに変化し、そのランダムな磁壁形成に応じて、その強磁性細線１０の電気抵抗値がランダムに変化する。
【００１９】
本実施形態は、その電気抵抗値を測定して、そのランダムに変化する電気抵抗値に基づく乱数が生成される。
【００２０】
尚、強磁性細線１０の、磁化線２０と測定線３０とに挟まれた領域には電流パルスが流れるために磁壁のランダムな変化が生じてその間の電気抵抗値Ｒ２はランダムに変化するが、強磁性細線１０の、測定線３０と第２の測定線４０とに挟まれた領域には電流パルスはほとんど流れないため、その領域の電気抵抗値はほとんど変化していない。
【００２１】
図３は、乱数発生器の第２実施形態を示す図である。ここでは、図１に示す乱数発生器の各要素に対応する要点には、分かり易さのため、形状の相違を越えて同一の符号を付して示す。
【００２２】
この図３の乱数発生器１Ｂには、５０ｎｍごとに折り返された、つづら折り形状の強磁性細線１０が形成されている。強磁性細線１０はその長さが長いほど、その中にあらわれる磁壁がランダムに変化することにより電気抵抗値が大きく変化する。そこで、ここでは、長さの長い強磁性細線１０をつづら折り形状にすることによって、狭い面積（ここでは約１．０μｍ×１．０μｍ）の中に長い強磁性細線１０を形成している。電源供給回路５０によって電流パルスを磁化線２０に流すとともに強磁性細線１０にも流し、これによって強磁性細線１０に生じる磁壁をランダムに変化させ、その後、読み出し回路６０により、磁化線２０と測定線３０をプローブにして強磁性細線の第１点１１と第２点１２との間の電気抵抗値が読み出され、その読み出した電気抵抗値が所定の閾値を基準にして‘１’又は‘０’に判定される。
【００２３】
カウンタ回路７０は、電流パルス供給および電気抵抗値の測定を所定回数行なう間の‘１’の数を計数し、その計数値を出力する。この計数値は、予測がつかない、ランダムな数値である。
【００２４】
シーケンス制御回路１００は、電流供給回路５０に、磁化線２０および強磁性細線１０への電流を供給させ、その後、読み出し回路６０に、強磁性細線１０の電気抵抗を測定させるという第１の制御シーケンスを繰り返し実行するものである。
【００２５】
図４は、第３の実施形態の乱数発生器の主要部を示した模式図、図５は、図４の円Ｄの部分の拡大図である。
【００２６】
図１に示す第１の実施形態の乱数発生器と比べ同じ構成要素には同じ番号を付し、相違点を中心に説明する。
【００２７】
この図４に示す乱数発生器１Ｃには、図１に示す乱数発生器１Ａに、さらにコイル８０と、そのコイル８０のリード線８１，８２と、そのコイル８０に初期化電流を供給するための初期化電流供給回路９０が示されている。
【００２８】
コイル８０は、図５に示すように強磁性細線１０に巻き付いており、このコイル８０に、初期化電流供給回路９０（図４参照）から初期化電流が供給されると、コイル８０により磁場が発生し、その磁場の作用により強磁性細線１０の磁壁が消失するなど、初期化がなされる。
【００２９】
この初期化は、測定前、又は測定後などに１回だけ行なってもよい。この場合、この実施形態では、図４を参照して説明した第１の制御シーケンスを繰り返し実行することに加え、さらに、コイル８０に初期化電流を供給し磁場を発生させて強磁性細線１０を初期化させ、読み出し回路６０に、その初期化の後であって、かつ、磁化線２０および強磁性細線１０への電流パルス供給に先立って強磁性細線１０の電気抵抗値を測定させる第２の制御シーケンスが１回だけ実行される。あるいは、初期化は、１回の測定の都度、行なってもよい。この場合、この実施形態では、上記第２の制御シーケンスが、上記第１の制御シーケンスと交互に、繰り返し実行される。
【００３０】
次に、本件の乱数発生器の実験結果について説明する。
【００３１】
図６は、実験に用いた乱数発生器主要部を示す図である。
【００３２】
この図６に示す乱数発生器１Ｄは、強磁性細線１０がカーブしている点を除き、図１に示す乱数発生器１Ａと同様である。
ここでは、上述した第２シーケンスと第１シーケンスとが交互に繰り返し実行される。
【００３３】
すなわち、ここでは、強磁性細線１０に１ｋＯｅの磁場を印加して強磁性細線１０を初期化し、その後、抵抗値Ｒ１，Ｒ２を測定し（第２の制御シーケンス）、その後、磁化線２０に電流パルスを供給するとともに、強磁性細線１０にも磁化線２０と測定線３０を経由する電流パルスを供給し、さらにその後、再度、抵抗値Ｒ１，Ｒ２を測定する（第１の制御シーケンス）。これを繰り返し実行する。
【００３４】
図７は、実験結果の１つを示す図である。
【００３５】
横軸は測定回数、縦軸は、抵抗値の差分ΔＲ１，ΔＲ２である。ここでは、強磁性細線１０に電流パルスを供給してランダムな磁壁を形成した後の測定で得られた抵抗値Ｒ１，Ｒ２から、初期化直後の測定で得られた抵抗値Ｒ１，Ｒ２を減算して、差分抵抗値ΔＲ１，ΔＲ２を得、この図７は、その差分抵抗値ΔＲ１，ΔＲ２を１回の測定ごとにプロットしたものである。
【００３６】
測定線３０と第２の測定線４０との間の抵抗値Ｒ１に関しては、差分抵抗値ΔＲ１を一連の１００回の測定についてのみ示し、磁化線２０と測定線３０との間の抵抗値Ｒ２に関しては、差分抵抗値ΔＲ２を、１００回の測定を１シリーズの測定としたときの３シリーズ分の測定（測定（１）〜測定（３））について示してある。
【００３７】
この図７に示すように、強磁性細線１０のうちの測定線３０と第２の測定線４０との挟まれた領域には電流パルスがほとんど流れないため初期化後と電流パルス供給後とで抵抗値変化ΔＲ１はほとんど生じていない。
【００３８】
一方、強磁性細線１０のうちの磁化線２０と測定線３０とに挟まれた領域は、電流パルスが流れるたびに、抵抗値Ｒ２がランダムに変化していることが分かる。
【００３９】
図７は、強磁性細線１０としてＮｉを用いた場合の例であるが、次に材料を変えて行なった実験結果について説明する。以下に示す実験でも図６に示す配線構造を採用している。ここでは、強磁性細線１０として、ＮｉＦｅを採用し、Ｎｉの配分比率をｘ％としてＮｉｘＦｅ１００−ｘとあらわしたときのｘを９０，８０，５０，２０と変化させたときの実験結果について説明する。
【００４０】
図８，図９，図１０，図１１は、それぞれ、ＮｉｘＦｅ１００−ｘにおけるｘ＝９０，８０，５０，２０のときのΔＲ１，ΔＲ２の測定結果を示す図である。
【００４１】
また、表１，表２，表３，表４は、それぞれ、図８，図９，図１０，図１１に対応し、ＮｉｘＦｅ１００−ｘにおけるｘ＝９０，８０，５０，２０のときの実験条件等を示すものである。
【００４２】
【表１】
2010015259.tif 000003
【００４３】
【表２】
2010015259.tif 000004
【００４４】
【表３】
2010015259.tif 000005
【００４５】
【表４】
2010015259.tif 000006
【００４６】
これらの表１〜表４のうちの、Ｊは、強磁性細線に電流パルスを流した際の電流密度、Ｈは、図６に示すように１ｋＯｅの磁場で初期化した後に残る残留磁化、Ｗは強磁性細線の幅、Ｎは測定回数である。
【００４７】
図８に示す、ｘ＝９０の場合は、ΔＲ２はランダムに変化しており、Ｎｉのみを使用した場合と同様、ランダムな磁壁が発生していると推測される。図９〜図１１に示す、ｘ＝８０，５０，２０の場合は、ΔＲ２の変化が少なく、磁壁のランダム性が薄れているものと推測される。
【００４８】
表５は、各材料ごとの、飽和磁化Ｍｓと、乱数発生器への適用の可否の評価を示した表である。
【００４９】
【表５】
2010015259.tif 000007
【００５０】
この表５に示すように、Ｍｓ＝０．９Ｔ以下の場合に、その強磁性材料を乱数発生に適用することができ、Ｍｓがそれを越えると乱数発生には不適であることが分かる。これは、飽和磁化Ｍｓが小さいとキュリー点が低く、強磁性細線に電流パルスが流れたときにその強磁性細線のキュリー点を越えるまで温度が上昇するか否かが乱数発生用として採用できるかどうかを決定しており、キュリー点を越えることによってランダムな磁壁が発生すると推測される。
【００５１】
表５で、乱数発生への適用は不適との評価結果を示した材料であっても電流パルスの電流レベルをさらに上げれば理論上キュリー点を越えることになるが、不適との評価は、キュリー点を越える前に断線等の破損を生じ、使用不能となってしまったことによるものである。したがって、この表５で不適とされた材料であっても、図６に示す強磁性細線１０の寸法等の工夫により、乱数発生に使用できる材料もあるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】乱数発生器の第１実施形態の主要部の模式図である。
【図２】電流パルス供給後のＡＦＭ観察結果（Ａ）およびＭＦＭ観察結果（Ｂ）を示す模式図である。
【図３】乱数発生器の第２実施形態を示す図である。
【図４】第３の実施形態の乱数発生器の主要部を示した模式図である。
【図５】図４の円Ｄの部分の拡大図である。
【図６】実験に用いた乱数発生器主要部を示す図である。
【図７】実験結果の１つを示す図である。
【図８】ＮｉｘＦｅ１００−ｘにおけるｘ＝９０のときのΔＲ１，ΔＲ２の測定結果を示す図である。
【図９】ＮｉｘＦｅ１００−ｘにおけるｘ＝８０のときのΔＲ１，ΔＲ２の測定結果を示す図である。
【図１０】ＮｉｘＦｅ１００−ｘにおけるｘ＝５０のときのΔＲ１，ΔＲ２の測定結果を示す図である。
【図１１】ＮｉｘＦｅ１００−ｘにおけるｘ＝２０のときのΔＲ１，ΔＲ２の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ    乱数発生器
１０    強磁性細線
１１    第１点
１２    第２点
１９    磁壁
２０    磁化線
３０    測定線
４０    第２の測定線
５０    電流供給回路
６０    読み出し回路
７０    カウンタ回路
８０    コイル
８１，８２    リード線
９０    初期化電流供給回路
１００    シーケンス制御回路
【図１】
2010015259.tif 000008
【図２】
2010015259.tif 000009
【図３】
2010015259.tif 000010
【図４】
2010015259.tif 000011
【図５】
2010015259.tif 000012
【図６】
2010015259.tif 000013
【図７】
2010015259.tif 000014
【図８】
2010015259.tif 000015
【図９】
2010015259.tif 000016
【図１０】
2010015259.tif 000017
【図１１】
2010015259.tif 000018