فلیپ فلاپ تصادفی

**فلیپ‌فلاپ تصادفی (RFF)** مدلی نظری در حوزهٔ مدارهای منطقی غیرترتیبی است که هدف آن ایجاد منبعی سخت‌افزاری برای تولید تصادفیّت واقعی است. این عنصر از نظر شیوهٔ عملکرد کلی همان نقشی را دارد که یک فلیپ‌فلاپ لبه‌تحریک‌شوندهٔ معمولی ایفا می‌کند، اما تفاوت اصلی آن در نحوهٔ فعال‌شدن سیگنال کلاک است؛ کلاک در این مدل به صورت احتمالی و تنها با احتمال یک‌دوم رخ می‌دهد.

رفتار RFF برخلاف مدارهای بولی که کاملاً قطعی عمل می‌کنند، غیرقطعی است و خروجی آن لزوماً قابل پیش‌بینی نیست. با وجود این، این عنصر از نظر الکتریکی با مدارهای دیجیتال معمولی سازگار است و می‌تواند در کنار آن‌ها به کار گرفته شود. ترکیب فلیپ‌فلاپ تصادفی با منطق بولی مجموعه‌ای کامل از سازوکارهای محاسباتی را فراهم می‌کند که توانایی پیاده‌سازی الگوریتم‌های مبتنی بر عدم‌قطعیت را دارند؛ از جمله مدلی معادل با «ماشین تورینگ احتمالی».

***نماد :***

فلیپ‌فلاپ تصادفی نیز همانند فلیپ‌فلاپ‌های معمولی در گونه‌های مختلف طراحی می‌شود. برای نمونه می‌توان به فلیپ‌فلاپ تصادفی نوع D (DRFF)، نوع T (TRFF) و نوع JK (JKRFF) اشاره کرد. هر یک از این گونه‌ها مطابق همتای قطعی خود عمل می‌کنند، با این تفاوت که به‌روزرسانی حالت آن‌ها بر پایهٔ یک فرایند تصادفی انجام می‌شود. 
بندانگشتی
اگرچه امکان طراحی گونه‌های مختلفی از فلیپ‌فلاپ‌های تصادفی وجود دارد، اما استفاده از همهٔ آن‌ها ضروری نیست؛ زیرا تنها یک نوع از RFF قادر است رفتار انواع دیگر را شبیه‌سازی کند. شبیه‌سازی هر نوع فلیپ‌فلاپ تصادفی توسط نوع دیگر، با همان مدارهای کمکی و دروازه‌هایی انجام می‌شود که برای تبدیل یا پیاده‌سازی گونه‌های مختلف فلیپ‌فلاپ‌های معمولی به کار می‌روند.

بندانگشتی

***پیاده‌سازی عملی فلیپ‌فلاپ تصادفی :***

در تعریف نظری، عملکرد یک فلیپ‌فلاپ تصادفی کاملاً مبتنی بر تصادفیّت حقیقی است؛ اما دستیابی به چنین رفتاری در عمل ساده نیست و معمولاً نیاز به بهره‌گیری از منابع فیزیکیِ تولید تصادفیّت دارد. یکی از نمونه‌های موفق، استفاده از فرآیندهای کوانتومی مانند گسیل فوتون در نیمه‌رسانا و آشکارسازی آن است؛ روشی که نشان داده شده تا فرکانس حدود ۲۵ مگاهرتز عملکرد قابل‌اعتماد دارد. در فرکانس‌های بالاتر، رویدادهای پشت‌سرهم این فلیپ‌فلاپ دچار هم‌بستگی می‌شوند و رفتار کاملاً تصادفی حفظ نمی‌شود.

این نمونهٔ اولیه با استفاده از قطعات مجزا ساخته شد و تنها تعداد محدودی از آن تولید گردید. در سال‌های اخیر، تراشه‌ای یکپارچه شامل حدود ۲۸۰۰ فلیپ‌فلاپ تصادفی مبتنی بر تصادفیّت کوانتومی نیز معرفی شده‌است؛ تراشه‌ای که در فناوری **BCD** (مبتنی بر Bipolar-CMOS-DMOS) ساخته شده و نشان‌دهندهٔ امکان یکپارچه‌سازی گستردهٔ چنین ساختارهایی است.

***کاربردهای فلیپ‌فلاپ تصادفی :*** 

یکی از ساده‌ترین کاربردهای فلیپ‌فلاپ تصادفی، تولید بیت‌های تصادفی است . از آنجا که هر فلیپ‌فلاپ به‌صورت مستقل عمل می‌کند، استفاده از N فلیپ‌فلاپ تصادفی امکان تولید N بیت در هر چرخهٔ کلاک را فراهم می‌سازد. در نتیجه، توان عملیاتی یک مولد عدد تصادفی مبتنی بر RFF تنها به تعداد واحدهای در دسترس و بیشترین فرکانس کاری آن‌ها وابسته است.

تفاوت مهم میان RFF و مولدهای سنتی اعداد تصادفی در این است که مجموعهٔ بزرگی از فلیپ‌فلاپ‌های تصادفی می‌توانند هم‌زمان و بدون نیاز به هماهنگی میان یکدیگر فعالیت کنند. این ویژگی برای محاسبات تصادفی (Stochastic Computing) یا آنچه با عنوان «محاسبات پالس تصادفی» نیز شناخته می‌شود، ارزش قابل‌توجهی دارد؛ زیرا بسیاری از مدارهای پردازش اطلاعات در این شیوه به موازات یکدیگر کار می‌کنند.

از نظر کاربرد، فلیپ‌فلاپ تصادفی می‌تواند در حوزه‌های گوناگونی مورد استفاده قرار گیرد؛ از جمله در سامانه‌های کاشتنی نظیر حلزون مصنوعی و اندام‌های پروتزی، در پردازش تصویر نزدیک به حسگر، و همچنین در شتاب‌دهنده‌های سخت‌افزاری هوش مصنوعی. علاوه بر این، به دلیل سرعت بالای تولید داده، حتی یک واحد RFF قادر است در هر ثانیه صدها هزار کلید رمزنگاری ۲۵۶ بیتی یا دادهٔ نانس تولید کند، بی‌آنکه به پروتکل‌های ویژهٔ ارتباطی نیاز داشته باشد. این ویژگی می‌تواند RFF را به عنصری کلیدی در سخت‌افزارهای امنیتی مانند دستگاه‌های اینترنت اشیا، کارت‌های هوشمند، سامانه‌های ورود بدون کلید خودرو و دیگر تجهیزات دیجیتال تبدیل کند.

با وجود آنکه فناوری ساخت RFFهای مجتمع هنوز در مرحلهٔ نوظهور قرار دارد، این امکان قابل پیش‌بینی است که در آینده این عنصر به‌عنوان یک بلوک الکترونیکی استاندارد در تراشه‌های منطقی عمومی، مدارهای مجتمع اختصاصی (ASIC) و نیز تراشه‌های قابل‌برنامه‌ریزی (FPGA) قرار گیرد و استفاده از آن را در طراحی‌های دیجیتال رایج کند. 

## منابع

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر
رده:مدار منطقی
رده:معماری رایانه
رده:الکترونیک دیجیتال
رده:دروازه‌های منطقی