Инженерам исследовательского центра Intel Circuit Research Lab в г. Хиллсбро, штат Орегон, удалось-таки сконструировать внутри микросхемы настоящий DRNG, или Digital RNG – чисто цифровой (без аналоговых компонентов) генератор случайных чисел, используя исключительно производственные процессы КМОП-технологии.
Чтобы стало понятнее, насколько долгим и непростым был путь к этому успеху, имеет смысл хотя бы вкратце вспомнить предысторию данной разработки.
Первая попытка Intel внедрить в обычные компьютеры генератор подлинно случайных чисел была предпринята в 1999 году, когда появился существенно новый компонент чипсета Firmware Hub. Генератором случайных чисел в этом чипе являлась компактная аналоговая конструкция, работавшая на основе теплового шума, который имеется во всех резисторах электрических схем. Этот хаотический шум усиливался, а формируемый из него дрожащий сигнал изменял период цикла в относительно медленно тикающих часах.
Для каждого из тактов этих беспорядочно тикающих медленных часов схема чипа брала выход от вторых, быстро тикающих часов, которые регулярно и поочередно выдавали два бинарных значения — 0 и 1. В результате беспорядочной выборки значений с этого выхода и получалась случайная последовательность из нулей и единиц генератора.
Один из главных минусов этой схемы заключался в том, что аналоговая конструкция, необходимая для усиления теплового шума, потребляла немало энергии. Хуже того, из-за своих конструктивных особенностей данная схема работала постоянно – вне зависимости от того, нужны ли были для текущей работы компьютера случайные числа или же нет.
Другой существенный минус аналоговых компонентов внутри чипа – это серьёзные проблемы в тех ситуациях, когда приходит время менять производственные технологии, применяемые для изготовления процессоров.
Производственные линии для выпуска интегральных микросхем каждые несколько лет приходится обновлять из-за перехода к более мелким масштабам упаковки транзисторов. Для цифровых схем КМОП-технологии этот переход осуществляется довольно просто, а вот для каждого нового поколения аналоговых схем всё оказывается гораздо сложнее.
Аналоговые схемы требуют дополнительной конструкторской доработки, чтобы обеспечивать нужное соотношение «сигнал-шум». По мере того как происходит движение к наиболее передовым технологиям миниатюризации схем, напряжение питания в этих схемах стабильно понижается.
Это снижение напряжения попутно понижает мощность сигнала – без перемен в шуме устройства. Иначе говоря, понижается и уровень отношения сигнала к шуму, а значит, каждая модернизация неизбежно влечёт за собой тщательную переоценку параметров и комплекс тестирований для RNG. Ясно, что это чрезвычайно неудобно и обременительно.