KAIST 김경민 교수팀, 모트 전이 반도체로 진성 난수 생성기 개발

[기계신문] 4차 산업혁명 시대, 메타버스 시대가 도래하면서 사물인터넷과 같은 고도의 기술들이 발전하며 수많은 기기들이 실시간으로 데이터를 주고 받는 초연결 시대가 형성되고 있다.

초연결 시대에서는 하나의 기기로 다른 기기에 접근할 수 있으며, 따라서 의도성을 가지고 연결망에 접근하여 정보를 탈취하는 문제가 심각해질 것으로 예측된다.

현재의 보안 기술은 소프트웨어 기반으로 난수를 생성하고 이를 이용한 보안 기술을 구현하는데 기반을 둔다. 그러나 소프트웨어 기반의 보안 기술은 통신망을 통해 외부에서 접근 가능하며, 따라서 해킹이 가능하므로 강력한 보안 기술을 구현하기 어렵다.

이에 대한 궁극적인 대안은 자연적으로 발생하는 무작위적 현상에서 난수를 발생시킬 수 있는 하드웨어 기반 보안 기술을 개발하는 것이다.

이러한 가운데, KAIST 신소재공학과 김경민 교수 연구팀이 모트 전이 반도체의 확률적 거동을 이용한 진성 난수(True Random Number) 생성기 개발에 성공했다.

▲ NbO2 기반의 모트 전이 소자의 열적 무작위성에 의한 불균일한 진동을 보여주는 실험 결과. 진동은 초기에는 균일한 진동 특성을 보이나 시간이 지나며 열적 무작위성이 누적됨에 따라 예측할 수 없는 진동 특성을 보인다. 따라서 주어진 시간내에 진동 수가 달라지게 되며 진동수를 홀/짝으로 구별함으로써 0/1의 난수로 구분하여 출력할 수 있다.

현재 대부분의 난수는 소프트웨어로 생성되고 있는데, 이렇게 생성된 일반적인 난수는 소프트웨어의 해독을 통해 쉽게 예측할 수 있고, 이는 데이터 보안 및 개인 정보 침해에 매우 큰 위협이 될 수 있다.

이에 반해 진성 난수는 자연의 무작위적인 물리적 현상으로부터 얻어지는 인간이 예측할 수 없는 난수로, 이를 얻는 것은 궁극의 보안 기술을 구현하기 위해 필수적이다.

김경민 교수 연구팀은 진성 난수를 추출하기 위해 모트 전이 소재에 주목했다. 모트 전이 소재는 특정 온도에서 전기전도도가 부도체에서 도체로 전이하는 소재로, 이 소재에 전류를 흘려주어 가열하면 부도체 상태와 도체 상태가 주기적으로 변하는 상태의 진동 현상을 관찰할 수 있음이 잘 알려져 있었다. 연구팀은 이 과정에서 주기적으로 소재의 가열과 냉각이 반복될 때 열의 생성과 발산이 예측 불가능함을 이론적으로 입증했다.

연구팀은 이와 같은 모트 전이 소재에서의 예측 불가능한 특성을 진성 난수로 변환해주는 프로토타입의 진성 난수 생성기를 설계 및 제작하여 진성 난수를 성공적으로 수집했다.

▲ 난수 생성기 회로 모식도 및 실제 회로 사진. NbO2 기반의 모트 전이 소자의 진동 신호는 op-amp를 통해 증폭되고 이 신호는 T flip-flop의 클락 신호로써 이용된다. T flip-flop의 데이터는 진동 신호마다 바뀌게 되고 진동 신호의 수의 홀/짝에 따라서 0/1의 난수가 생성되게 된다.

KAIST 신소재공학과 김광민 석사과정과 인재현 박사과정은 “모트 전이 반도체를 기반으로 하는 진성 난수 생성기는 25 마이크로초(㎲)마다 5.22 나노줄(nJ)의 에너지로 1개의 난수를 생성할 수 있는데, 이는 기존 기술에 대비 최소 2.5배 이상 빠르고 1,800분의 1 수준의 에너지로 저전력 동작이 가능하다”며 “이는 저항 변화 메모리의 셀렉터 등 제한된 분야에서만 사용되던 모트 전이 소재를 진성 난수 생성기에 적합하다는 것을 입증한 결과로 새로운 하드웨어 보안용 소재 개발 분야를 개척한 의의가 있다”고 설명했다.

이번 연구에서 개발된 하드웨어 기반 난수 생성기는 집적화된 구조로 고성능을 낼 수 있으며, 이러한 우수한 성능은 IoT 기기에 자체 보안 기능을 탑재하는 데 활용될 수 있을 전망이다. 이는 보안의 중요성이 대두되고 있는 초연결 시대에서 차세대 반도체산업의 핵심 소재 기술로 활용될 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 지난 5월 18일자 게재됐으며, 산업통상자원부, 한국반도체연구조합, KAIST의 지원을 받아 수행됐다.

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