【我们兰大人】高吞吐量伪随机数生成器是如何诞生的？兰大本科生给你答案！

伪随机数是什么?

简单来说，人们日常登录各类平台需要的短信验证码、各类电商平台的付款二维码，都是伪随机数在现实生活中的应用。这些随机序列一般由伪随机数发生器生成，广泛应用于信息安全、区块链、机密运算等领域。目前国际高水平伪随机数生成器Keysight 81134A售价高达14万元/台，吞吐量仅为3.35 Gb/s。

近期，兰州大学信息科学与工程学院电子信息科学与技术专业2019级本科生刘胤哲在李守亮、杨臻和任丰原老师联合指导下，设计出了吞吐量高达10.4Gbps的伪随机数生成器，是目前公开报道中吞吐量最高的研究成果。该生成器具有速率高、功耗低、随机性强的优良特性，预计在2023年投入实际应用，售价不超过3000元，在提高工作效率的同时大大降低了成本。

敲开科研探索的大门

刘胤哲和大家传统印象中“寡言”的理工男不同，他思维活跃、热情活泼，操着一口地道的京腔，爽朗且幽默。

高考之前，刘胤哲曾两次到西北旅游，与兰州这座城市也打了两次照面。高考结束后，刘胤哲来到兰州大学读书。兰大扎实的学风为刘胤哲创造了良好的学习氛围，“一座难求”的昆仑堂图书馆、灯火通明的通宵自习室、远处巍巍耸立的萃英山，都时刻激励他奋发向上，与优秀的人比肩前行。

与第一志愿专业失之交臂后，刘胤哲被信息学院的电子信息科学与技术专业录取。这阴差阳错的结果，无意之中给他打开了一扇自己从未关注的大门。“这个专业的前景非常好，涉及到电信、芯片等方面的问题，和国防建设息息相关，与未来工作的关联性也很大”，刘胤哲逐渐了解到自己所学专业光明的前景和所肩负的重任。除此之外，兰大合理的课程安排也让刘胤哲受益颇多：“学校的专业课设置偏硬件电路，和专业高度贴合，课程量不会过于密集，能让我们在课余时间有更多自己探索的空间。”

本科生能不能做科研?应该怎么做科研?刘胤哲在学好专业知识的同时，对理论并不满足于“知其然”，开始想参与科研项目以“知其所以然”。

大二时，刘胤哲和几位同学一起参加了全国大学生工程训练大赛，结识了信息科学与工程学院的李守亮老师，并对李守亮研究的非线性动力学系统设计产生了浓厚的兴趣。在刘胤哲提出想要参与科研的想法后，李守亮给了他全力的支持、引导与帮助。

“在老师们的引导下，我感觉自己逐步敲开了科研探索的大门”。

本科生做科研，也可以火力全开

研究一个完全没接触过的领域，对本科生来说无疑是个巨大的挑战。但刘胤哲坚信，哪怕只是点滴的积累，也会一步步帮助自己在科研的道路上向前进步。“本科生不一定非要强迫自己做科研，但研究的过程肯定会为接下来的道路打下基础。”

课程紧凑?那就在课间时间尝试不同参数的实验，下课了验收、再实验。合理规划时间，就能做到上课、科研两不误。文献难啃?那就大量搜索、翻阅期刊，强迫自己阅读英文原文，不断查阅、积累生词。原来需要看1天的内容，到后期只需要1小时。编程能力不够?那就努力找到不同语言之间的关联，掌握一门后再去学习下一门，用心总结它们之间的内在逻辑，循序渐进提升编程水平。就这样，即使困难重重，刘胤哲坚持了下来，慢慢收获了一些科研成果。

2021年4月，刘胤哲和团队成员一起完成了兰州大学学生创新创业行动计划的申报，研究内容为“混沌智能灌溉系统”的设计与实现，尝试利用混沌系统的不确定性，完成均匀分布化水泵设计，达到最大化节约水资源的目的。作为项目核心成员，刘胤哲在阅读文献的同时进行嵌入式学习，一步步将所学到的知识不断拓展设计，利用单片机产生混沌信号，驱动电机进行输出，最终完成了混沌水泵的模型设计，并将成果申请了发明专利。

与此同时，刘胤哲努力学习 FPGA (现场可编程门阵列) 方面的知识，利用暑假的时间集中对伪随机数生成系统进行了设计。在不断进行模型实现、不断优化与改良设计系统的基础上，设计出了新的拓扑结构，使整个系统的非线性动力学特性更加复杂，更适合电路实现，使生成器的吞吐量从初期的900Mbps到最终的10.4Gbps，满足了高性能伪随机数输出的要求。相关研究成果发表在IEEE(电气与电子工程师协会)电路系统领域的二区期刊。

2022年3月，刘胤哲团队参与了国家级大学生创新创业训练计划，课题为“一种基于混合超混沌系统的高速随机数生成器设计及实现”。作为负责人，刘胤哲和团队力争在生成器高速率运转的同时降低资源消耗量，在仅占用1.4%资源的情况下实现了高达9.26Gbps的输出。今年5月，团队的第二个专利“基于FPGA的高速伪随机数生成方法及高速伪随机数生成器”随之诞生，目前正在受理、审核阶段。

多边形男孩，技能拉满

凭借对专业的热爱与虚心求学的态度，刘胤哲在本科前五学期取得了3.81/5的绩点，班级排名第三，年级排名第六。他不仅扎实学好课堂知识，更注重专业综合水平的提升，曾获“全国大学生数学竞赛一等奖”“第九届大唐杯全国大学生移动通信 5G 技术大赛甘肃省赛区本科A组一等奖”“第十三届蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛甘肃赛区单片机设计与开发大学组二等奖”“全国大学生人工智能知识竞赛一等奖”等荣誉奖项。

谈到参加各类科研竞赛的初衷，刘胤哲直言：“刚开始没有过多去关注比赛会带来的具体效益，想着尽量多参与，从各方面提升自己。”工科竞赛的强度普遍较高，许多竞赛不仅知识点密集，而且前沿知识含量大。为了全力备赛，刘胤哲只能在课余时间通过观看视频、阅读书籍来补上空缺的知识。这些比赛在无形中为刘胤哲打开了更多前沿领域的窗口，拓宽了他的学术视野。

在专业学习之外，刘胤哲同样保持着对生活的热爱，在高中时就熟练掌握了摄影、ps、pr等技术。他曾是校学生会宣传部中的一员，曾经“包揽”过校级新生晚会的所有视频剪辑工作;由于从小英语底子扎实，爱看美剧的他取得了IELTS测试7分的好成绩;课余时间，刘胤哲喜欢在学校的穹顶羽毛球馆运动，和同学们相约爬萃英山、兴隆山，不断提高自己的身体素质。

下一步，刘胤哲将专注于伪随机数生成器的产业化研究，继续优化硬件资源，深度参与市场需求调研，基于FPGA技术研发能投入实际应用的生成器设备，后期计划做成集成度更高、移动性更强的专用芯片。

学长攻略大分享：

身为一名本科生，学校给予了我们很多参与科研的机会，最唾手可得便是兰州大学大学生创新创业计划，给了同学们平台、导师，以及完成项目所需要的资金等，在一年的时间内可以大胆尝试，不怕失败，是第一次锻炼自己的机会在有了这次经验之后，同学们还可以选择参与“国家级大学生创新创业计划”或“䇹政计划”，在这两个项目中可以接触到更深的课题项目、面对更丰富的挑战。其次学校还提供了很多其他的进阶科研项目，包括与竞赛相结合的“挑战杯”“互联网+”，我认为参加这些项目会让同学们在未来的学习工作中受益匪浅。

首先确定好个人目标，确定自己对什么感兴趣(如对科研的某个方向)，把时间放在自己有兴趣的事上往往事半功倍。其次一定要注重专业课的学习，专业课的学习往往是深入科研的基础，要花时间在打基础上，不能空中楼阁。最后要做好随机应变的准备，在学习科研中时间经常会有冲突，需要专注的事一定认真完成，次要目标尽量快速完成。

希望学弟学妹们都能够努力追求自己的目标，不负自己的青春年华!

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