Просмотр кода страницы Аппаратный генератор случайных чисел

== Устройство ==
Аппаратные генераторы случайных чисел могут быть основаны на макроскопических [[Случайный процесс|случайных процессах]] с использованием таких предметов, как монетка, игральная кость или колесо рулетки. Наличие непредсказуемости в данных объясняется теорией неустойчивых [[Динамическая система|динамических систем]] и [[Теория хаоса|теории хаоса]]. Даже полностью определённые [[Законы Ньютона|уравнениями Ньютона]] макроскопические системы на практике имеют непредсказуемый выход, поскольку он зависит от микроскопических деталей начальных условий<ref>{{книга
 | автор         = {{nobr|Панкратов С.}}
 | заглавие      = Законы непредсказуемы» журнал «Наука и жизнь
 | место         = {{М}}
 | издательство  = Правда
 | год           = 1988
 | страницы      = 75—77
 | страниц       = 172
 | issn          = 0028-1263
 | ref           = Панкратов
}}</ref>.

=== Генераторы, использующие физические случайные процессы ===
Устройства, основанные на [[Макроскопический масштаб|макроскопических]] случайных процессах, не могут обеспечить скорости получения случайных чисел, достаточной для прикладных задач. Поэтому в основе современных АГСЧ лежит источник [[шум]]а, из которого [[Оцифровка|извлекаются]] случайные [[бит]]ы. Источники шума разделяют на два типа: имеющие [[Квантовая физика|квантовую]] природу и не использующие квантовые явления{{sfn|Бобнев|1966|c=7-14}}{{sfn|Henk|2005}}.

Следствием законов [[Квантовая физика|квантовой физики]] является тот факт, что некоторые природные явления (например, [[радиоактивный распад]] атомов,  [[флуктуация вакуума]]) абсолютно случайны и не могут быть в принципе предсказаны (одним из первых опытов, доказывающих вероятностную природу некоторых явлений, можно считать [[опыт Дэвиссона — Джермера]]). Также из [[Статистическая механика|статистической механики]] следует, что при температуре, не равной [[Абсолютный нуль температуры|абсолютному нулю]], каждая система имеет случайные [[Флуктуация|флуктуации]] своих параметров.

Поскольку некоторые квантово-механические процессы абсолютно случайны, они являются «золотым стандартом» для АГСЧ. Явления, использующиеся в генераторах, включают:
* [[Дробовой шум]] — это шум в [[Электрическая цепь|электрических цепях]], вызванный [[дискретность]]ю [[Электрон|носителей электрического заряда]]. Также этим термином называют шум в [[Оптика|оптических]] приборах, вызванный дискретностью [[Фотон|переносчика света]]. В данном случае в качестве источника шума используют [[фотоэлектронный умножитель]] или электровакуумные [[фотоэлемент]]ы{{sfn|Бобнев|1966|c=7-14}}.
* [[Радиоактивный распад]] используется в качестве источника шума, поскольку для него характерна случайность каждого отдельного акта распада. В результате на приёмник (например, [[счетчик Гейгера]] или [[Сцинтилляторы|сцинтилляционный счетчик]]) в различные промежутки времени попадает разное количество [[Частица|частиц]]{{sfn|Бобнев|1966|c=7-14}}.
* [[Спонтанное параметрическое рассеяние]] также может быть использовано в генераторах случайных чисел.<ref>{{книга|автор=Marandi A., Leindecker N. C., Vodopyanov K. L., Byer|journal=Opt. Express|volume=20|год=2012|название=All-optical quantum random bit generation from intrinsically binary phase of parametric oscillators|doi=10.1364/OE.20.019322|ссылка=http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-20-17-19322|заглавие=Источник|archivedate=2014-10-18|archiveurl=https://web.archive.org/web/20141018152926/http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-20-17-19322}}</ref>

Неквантовые явления проще детектировать, но АГСЧ, основанные на них, будут сильно зависеть от [[Температура|температуры]] (например, величина [[Тепловой шум|теплового шума]] пропорциональна температуре окружающей среды). Среди процессов, использующихся в АГСЧ, можно отметить:
* [[Тепловой шум]] в [[резистор]]е, из которого после усиления получается генератор случайных напряжений. В частности, генератор чисел в компьютере {{iw|Ferranti Mark 1}} был основан на этом явлении<ref name="Tur" />.
* {{iw|Атмосферный шум|||Atmospheric noise}}, измеренный радиоприёмником; сюда же можно отнести и приём частиц, [[Космические лучи|прилетающих]] на [[Земля|Землю]] из космоса, которые регистрируются приёмником, а их количество в разные промежутки времени случайно. Веб-сервис [[Random.org]] использует данный подход.
* {{iw|Разница в скорости хода часов|||Clock drift}} — явление, заключающееся в том, что ход разных часов не будет абсолютно совпадать<ref>{{книга|автор=Velichko S.|год=1996|название=Random-number generator prefers imperfect clocks|ссылка=http://edn.com/design/other/4340990/EDN-Access-11-21-96-Random-number-generator-prefers-imperfect-clock|заглавие=Источник|archivedate=2014-10-25|archiveurl=https://web.archive.org/web/20141025115420/http://edn.com/design/other/4340990/EDN-Access-11-21-96-Random-number-generator-prefers-imperfect-clock}}</ref>.

Существует несколько подходов для получения последовательности случайных [[бит]]ов из физического [[Случайный процесс|случайного процесса]]. Один из них заключается в том, что полученный [[Шум|сигнал-шум]] усиливается, [[Фильтр (электроника)|фильтруется]] и подаётся на вход быстродействующего [[компаратор]]а напряжений, чтобы получить [[Цифровой сигнал|логический сигнал]]. Длительности состояний компаратора будут случайными, что позволяет создать последовательность случайных чисел, измеряя длительности этих состояний. В таких системах необходимо принимать во внимание, что, помимо используемого генератора шума, его могут вносить и другие компоненты системы (например, [[Линия электропередачи|силовая линия]]), что может сильно повлиять на статистические параметры генерируемой последовательности битов{{sfn | Shcindler|2001|c=103}}{{sfn |Henk|2005}}.

Другой подход заключается в том, что случайный сигнал подаётся на вход [[Аналого-цифровой преобразователь|аналого-цифрового преобразователя]] (могут использоваться как специальные устройства, так и аудиовход компьютера), в результате [[Оцифровка|оцифрованный сигнал]] будет представлять собой последовательность случайных чисел, которая может быть [[Цифровая обработка сигналов|программно обработана]]. Также существуют методы объединения быстродействующего [[Генератор псевдослучайных чисел|генератора псевдослучайных чисел]] с медленным аппаратным генератором{{sfn | Shcindler|2001|c=103}}{{sfn|Henk|2005}}.

=== Генераторы, использующие другие явления ===
Генераторы случайных чисел, использующие физические случайные процессы, позволяют получить хорошие случайные числа, но их производство относительно сложно и дорого (в особенности это касается АГСЧ, основанных на [[Радиоактивный распад|радиоактивном распаде]]), но существуют и более доступные [[Источник энтропии|источники случайности]]<ref name="Callas">
{{cite web
 |url         = https://www.merrymeet.com/jon/usingrandom.html
 |title       = Using and Creating Cryptographic-Quality Random Numbers
 |author      = {{iw|Каллас, Джон|Callas J.|en|Jon Callas}}
 |date        = 1996-06-03
 |accessdate  = 2014-10-09
 |lang        = en
 |archiveurl  = https://web.archive.org/web/20150314211125/https://www.merrymeet.com/jon/usingrandom.html
 |archivedate = 2015-03-14
 |deadlink    = yes
}}
</ref>:
* Измерение времени между нажатиями на кнопки [[Клавиатура|клавиатуры]] или [[Мышь|мыши]] и последующее взятие нескольких [[Порядок байтов|наименее значимых битов]]. К недостаткам данного метода следует отнести малую скорость генерации и необходимость наличия [[Пользователь|пользователя]].
* Использование шума со встроенного [[микрофон]]а в компьютере. Но, помимо [[Белый шум|белого шума]], в [[спектр]]е будут присутствовать такие паразитные составляющие, как шум в [[Электрическая сеть|электрической сети]] на 50 [[Герц (единица измерения)|Гц]], шум от [[вентилятор]]а в компьютере и др.
* Использование [[Компьютерная сеть|сети]] или [[интернет]]а, например, время между принятыми [[Пакет (сетевые технологии)|пакетами]] (веб-сайт [https://www.randomes.top/generator-istinnykh-sluchaynykh-chisel/ randomes.top] реализовал данный метод) или [[контрольная сумма]] новостей предыдущей недели.

К наиболее необычным генераторам следует отнести работы, которые используют цифровые [[Видеокамера|видеокамеры]], снимающие [[Макроскопический масштаб|макроскопические явления]]. Например, команда из [[Silicon Graphics]] использовала видеозапись [[Лавовая лампа|лавовой лампы]] для генерации случайных чисел, так как воск в лампе хаотически меняет свои формы. Также в качестве объекта съёмки могут быть использованы пузыри в [[аквариум]]е или ленты в потоке воздуха от [[вентилятор]]а<ref>[https://www.google.com/patents/US5732138  «Патент „Method for seeding a pseudo-random number generator with a cryptographic hash of a digitization of a chaotic system“»]</ref>.