随着数字社会的快速发展，信息安全、隐私保护与安全通信的重要性日益凸显。无论是密码系统中的密钥生成，还是数据加密、身份认证与安全传输，高质量随机数都是底层支撑技术之一。相比依赖算法生成、具有可重复性的伪随机数，真随机数来源于物理过程中的本征不确定性，具有更高的安全性和不可复制性，因此在新一代信息安全硬件中受到广泛关注。
近日，南京大学电子科学与工程学院余林蔚团队在基于忆阻器的硬件真随机数发生研究中取得新进展。团队提出了一种基于纳米线-电极边缘交叉结构忆阻器的真随机数发生方案，利用超细硅纳米线对导电细丝形成过程进行空间约束，实现了稳定、可持续的随机延迟触发行为，并进一步构建出可用于图像加密与解密验证的硬件真随机数发生电路。该研究成果表明，所提出器件在无需后处理条件下即可通过全部 15 项 NIST SP 800-22 随机性测试，同时在图像加密应用中表现出良好的安全性与可恢复性。相关成果以“A True Random Number Generator Based on Nanowire-Edge Crossing Memristors for Image Encryption”为题发表在Nanoscale。
1. 创新结构瞄准真随机数发生关键难题
忆阻器因其导电细丝形成与断裂过程具有天然随机性，被认为是构建硬件真随机数发生器的重要候选器件。然而，传统平面结构忆阻器中，导电细丝在反复刺激下容易逐步增粗并趋于稳定，进而削弱器件原有的随机触发特性，甚至需要额外反向电压复位。这会降低真随机数输出的真实性、稳定性和长期可靠性。
针对这一问题，研究团队提出利用超细 n 型硅纳米线（n-SiNW）与金属电极边缘交叉的结构设计，对导电细丝的形成位置和生长尺度进行协同限制。一方面，纳米线的一维尺度显著压缩了导电细丝的可生长空间；另一方面，电极边缘处的局域电场增强效应进一步提升了细丝成核位置的可控性。两者结合后，可有效抑制粗大、稳定导电通路的形成，更有利于产生细小、脆弱、可自发断裂的导电细丝，为高质量真随机数输出提供稳定物理熵源。
图一. 纳米线限域与边缘电场协同构建稳定随机源
2. IPSLS 生长技术实现器件可控制备
在器件制备方面，团队采用面内固-液-固（IPSLS）方法生长重掺杂 n 型硅纳米线。该技术能够在预设沟槽位置直接生长硅纳米线，并可同步完成位置对准标记，从而避免传统纳米线器件中常见的转移、重新排列和二次对准等复杂工艺步骤。论文中所用硅纳米线直径主要分布在约 40–70 nm 范围内，典型尺度约为 50 nm。在此基础上，研究人员进一步制备出边缘线接触型 Ag/SiO₂/n-SiNW 忆阻器结构，为后续随机响应测试与电路构建奠定了基础。
由于 Ag⁺离子在电场驱动下穿越 SiO₂并在纳米线附近形成导电细丝，其迁移路径和成核时刻本身带有显著统计波动，因此器件在脉冲刺激下会表现出随机延迟触发特性。这种建立在可控结构之上的本征随机性，使器件同时兼具“随机性来源真实”和“响应行为可重复统计”的双重优势。
图二. IPSLS 定位生长助力纳米线忆阻器可集成制造
3. 细导电细丝带来稳定的随机延迟触发行为
电学测试结果表明，该器件表现出优异的开关与随机响应特性。器件的触发电压分布在约 0.6–1.2 V 范围内，开关比最高可达 10⁷，漏电流低至 1 pA。在不同脉冲条件下，器件触发概率可用 sigmoid 函数进行良好拟合，说明其开通行为具有清晰的概率统计规律；当脉冲高电平提高至 1.8 V 时，器件开通概率已接近 100%。
进一步研究发现，纳米线尺寸对导电细丝动力学具有决定性影响。对于较粗的纳米线器件，在连续脉冲刺激下，导电细丝会逐渐变粗并趋向稳定导通，随机延迟行为随之消失；而对于约 50 nm 的细纳米线器件，导电细丝则更易保持细小、受限、可断裂的状态，从而在长期刺激过程中仍持续表现出明显的随机延迟触发特性。该结果表明，纳米线限域效应是维持器件长期随机性的关键物理基础。
图三. 纳米线限域导电细丝，维持器件长期随机性
4. 构建无需后处理的硬件真随机数发生电路
基于上述随机延迟触发行为，研究团队构建了完整的硬件真随机数发生电路。该电路主要由纳米线忆阻器、比较器、与门和计数器组成：忆阻器在脉冲输入下产生具有随机宽度的响应窗口，再通过逻辑门和计数器转换为“0”或“1”输出。由于触发延迟本身具有随机性，因此最终输出比特也具有接近等概率的统计特征。
实验中，团队采集了 66 组随机比特序列，每组长度为 1 Mbit。统计结果显示，输出序列中“0”和“1”的比例接近 1:1。更重要的是，这些序列在无任何后处理条件下，顺利通过了 NIST SP 800-22 的全部 15 项统计测试，表明该器件不仅可以输出真实随机比特，而且具备较高的统计质量和长期稳定性。
图四. 从随机延迟到高质量比特输出的电路实现
5. 真随机数赋能图像加密与解密应用验证
在应用层面，研究团队进一步将该真随机数发生器用于图像加密与解密实验。研究中，器件产生的真随机数首先被构造成噪声密钥，并用于图像扰动；随后借助 YOLOv8 目标识别网络，对原始图像、加密图像和解密图像进行识别效果比较。
结果表明，加密后的图像在肉眼观察下几乎没有明显失真，但其内部特征已被有效扰乱，导致神经网络识别性能显著下降。其中，关键指标 mAP@0.5–0.95 平均下降约 15%。而在完成解密后，图像特征能够得到有效恢复，识别性能与原始图像相比仅有很小偏差，mAP@0.5–0.95 的偏差小于1.2%。这说明，该工作提出的纳米线忆阻器真随机数发生器不仅具备高质量输出能力，而且可直接作为硬件密钥源，服务于实际信息安全应用。
图五. 真随机数驱动图像加密，兼顾隐蔽性与可恢复性
展望：面向安全硬件与智能系统的随机源新方案
该研究将硅纳米线可控制备、忆阻器随机动力学与硬件信息安全应用有机结合，提出了一种兼具器件可集成性、随机性可靠性和应用可验证性的真随机数发生新策略。相比传统需要复杂后处理或额外校正的方案，这种基于纳米线边缘交叉忆阻器的设计，在器件源头上提升了随机性的真实性和稳定性，为未来面向安全通信、边缘加密、隐私计算和智能硬件的底层随机源设计提供了新的研究思路。
该论文作者为韦明昊，晏磊，张逸飞，王军转和余林蔚，其中韦明昊与晏磊为共同第一作者，余林蔚为通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金项目和国家重点基础研究计划项目资助。