KAIST, 저전력·초소형 단일소자 난수발생기 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] KAIST 전기및전자공학부 최양규 교수와 류승탁 교수 공동연구팀이 모바일, 사물인터넷(IoT), 자율주행 등에 사용할 저전력·초소형 난수발생기 소자를 개발했다고 발표했다.

연구팀은 단일 트랜지스터 소자로 난수를 발생할 수 있어 기존 대비 칩 점유 면적은 2600배 줄이고, 전력 소모도 약 3800배 개선할 수 있는 세계 유일 구조의 보안용 암호 반도체 소자라고 소개했다.

사물인터넷(IoT), 자율 주행 등 5G/6G 시대 소자 또는 기기 간의 상호 정보 교환이 급증함에 따라 해킹 공격이 고도화되고 있다. 이에 따라 기기에서 데이터를 안전하게 전송하기 위해서는 보안 기능 강화가 필수적이다.

연구팀은 100% 실리콘 호환 공정으로 제작된 핀펫(FinFET) 기반 보안용 암호반도체 크립토그래픽 트랜지스터(cryptographic transistor, 이하 크립토리스터)를 개발했다. 이는 트랜지스터 하나로 이루어진 독창적 구조를 갖고 있을 뿐만 아니라, 동작 방식 또한 독특해 유일무이한 특성을 구비한 난수발생기라고 연구팀은 설명했다.

인공지능 등의 모든 보안 환경에서 가장 중요한 요소는 난수발생기이다. 난수 발생기에서 발생되는 무작위한 0과 1 출력은 정보 송수신 시 정보를 암호화 또는 복호화 하는데 사용돼 해킹 시도를 차단한다. 가장 널리 사용되는 보안 칩인 ‘고급 암호화 표준(advanced encryption standard, AES)’에서 난수발생기는 핵심 요소로, AES 보안 칩 전체 면적의 약 75%, 에너지 소모의 85% 이상을 차지한다. 따라서, 모바일 혹은 사물인터넷(IoT)에 탑재가 가능한 저전력/초소형 난수발생기 개발이 시급하다.

연구팀이 개발한 단일 소자 기반의 크립토리스터(cryptoristor)는 기존 세계 최고 수준 연구 대비 전력 소모와 점유 면적 모두 수천 배 이상 줄일 수 있다. 이 암호 반도체는 절연층이 실리콘 하부에 형성되어 있는 실리콘 온 인슐레이터(Silicon-on-Insulator, SOI) 기판 위에 제작된 핀펫(FinFET)이 가지는 내재적인 전위 불안정성을 난수발생에 활용했다. 전위 불안정성으로 인한 무작위한 전압출력으로 예측 불가능한 난수를 발생시킨다.

추가적으로 암호반도체의 무작위한 아날로그 전압 출력을 0과 1의 디지털 신호로 바꿔줌과 동시에, 난수성을 향상시키는 컨버터를 개발하해 저전력,고효율,초소형의 난수발생기를 구현했다.

연구진은 이같은 방식의 암호반도체는 세계적으로 유사 특허가 단 한 건도 없고, 연구로도 구현한 사례가 없는 세계 최초의 시도인데다 상용 트랜지스터와 동일한 공정으로 제작할 수 있다는 점에서 기술적 의미가 크다고 설명했다.

연구진은 “암호 반도체로서 초소형/저전력 난수발생기는 특유의 예측 불가능성으로 인해 보안 기능을 강화해 칩 또는 칩 간의 통신 보안으로 안전한 초연결성을 지원할 수 있고, 특히 기존 연구 대비 에너지, 집적도, 비용 측면에서 탁월한 장점을 갖고 있어 사물인터넷(IoT) 기기 환경에 적합하다”고 연구의 의의를 설명했다.

KAIST 전기및전자공학부 김승일 박사과정이 제1저자, 유형진 석사가 공저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘사이언스(Science)’의 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 2024년 2월 온라인판에 정식 출판됐다. (논문명 : Cryptographic transistor for true random number generator with low power consumption)