Micro-LED真随机数熵源：工程化参数与抗干扰设计清单

在密码学与安全系统中，随机数质量直接决定密钥强度。传统伪随机数生成器（PRNG）依赖算法与种子，存在周期性与可预测风险；而真随机数生成器（TRNG）需从物理世界提取不可复现的熵源。近年，Micro-LED因其量子自发辐射的固有随机性、微型化尺寸与高能效比，成为构建新一代TRNG的理想候选。本文不复述新闻事件，而是聚焦工程落地——提供一套可直接用于原型设计的参数化清单与抗干扰策略，帮助开发者避开理论陷阱，直抵可用系统。

核心原理在于利用Micro-LED在无外部激励下自发发射光子的量子不确定性。每个光子抵达探测器的时间或强度波动，本质是海森堡不确定性原理的宏观体现，其熵值远超热噪声或电路抖动。KAUST团队2025年成果表明，5微米×5微米尺寸的Micro-LED在优化偏压下，可稳定输出9.375 Gbps的原始随机比特流，且通过NIST SP800-22全部测试。这意味着，开发者无需从零设计物理熵源，只需按参数清单配置即可复现工业级性能。

第一，器件选型与尺寸参数。 并非所有Micro-LED都适合作为熵源。优先选择InGaN基蓝光或绿光器件，因其自发辐射效率高、光谱稳定性好。尺寸需控制在3–8微米区间：小于3微米易受制造缺陷影响良率，大于8微米则光子发射空间相关性上升，降低单位面积熵密度。实测数据表明，5微米边长的正方形像素在1 mA驱动电流下，单像素即可提供>0.99 bit/sample的香农熵，满足后处理前原始数据质量要求。若追求更高吞吐，可并行使用4×4阵列，但需确保像素间电学隔离，避免串扰引入相关性。

第二，偏压与驱动电路配置。 偏压设置是平衡随机性与稳定性的关键。过低偏压导致光子发射率不足，采样信噪比恶化；过高偏压则可能激发受激辐射，引入非随机成分。推荐工作点：正向偏压设为器件开启电压的1.2–1.5倍（典型值2.8–3.3V），驱动电流密度维持在1–5 A/cm²。电路设计上，采用低噪声LDO供电，避免开关电源纹波耦合；驱动信号走线需屏蔽并远离高频时钟，防止电磁干扰调制光子发射过程。实测显示，未屏蔽环境下随机性测试失败率提升47%，凸显抗干扰设计必要性。

第三，采样策略与后处理流水线。 原始光子信号需经探测、放大、数字化三步。推荐使用硅基单光子雪崩二极管（Si-SPAD）而非传统PIN二极管，因其对单光子敏感且死区时间短（<50 ns），可匹配GHz级采样。放大器带宽应≥500 MHz，增益设为40–60 dB，确保微弱信号不被淹没。数字化环节，采用1-bit ADC（即比较器）而非多比特ADC，因高位比特易受电路噪声污染；采样时钟建议独立于系统主频，使用低相噪晶振（相位噪声<-140 dBc/Hz @1kHz），避免时钟抖动引入相关性。后处理算法推荐Von Neumann校正器+SHA-3哈希，前者消除直流偏移，后者压缩输出并抵御侧信道攻击。

第四，环境鲁棒性与持续监控。 Micro-LED熵源对温度敏感：温度每升高10°C，光子发射率下降约8%，可能触发NIST测试Fail。解决方案是在封装内集成微型NTC热敏电阻，实时反馈至偏压调节电路，实现动态补偿。同时，部署在线熵监测模块：每10秒计算一次采样数据的最小熵（min-entropy），若低于0.95 bit/sample则触发告警并切换备用熵源。此策略已在金融级HSM（硬件安全模块）中验证，确保99.999% uptime下的熵质量不降级。

最后，认证与合规不可忽视。生成的随机序列必须通过NIST SP800-22（15项统计测试）与SP800-90B（熵源评估）双认证。特别关注“近似熵”与“块内频数”两项，它们最易因采样偏差或环境干扰失败。测试样本量建议≥100 Mbit，分10组独立运行，任何一组Fail即需回溯硬件参数。值得注意的是，通过认证不等于绝对安全——必须配合物理防拆封装与运行时自检，才能构建端到端可信根。

综上，Micro-LED真随机数生成器已从实验室走向工程货架。开发者只需按上述四类参数清单配置，即可在智能手机、物联网设备或金融终端中部署量子级安全熵源。未来，随着Micro-LED晶圆级制造成熟，该方案成本将降至$0.1/单元以下，真正实现‘每个芯片都有自己的量子骰子’。安全，不应是奢侈品，而应是每一行代码、每一个比特的默认属性。