오실레이터 샘플링 방법을 이용한 실난수 발생 장치 document_id A220623046663

본 발명은 오실레이터 샘플링 방법을 이용한 실난수 발생 장치에 관한 것으로, 특히 IC 칩에 집적이 가능하며 오실레이터 샘플링 방법을 이용한 고속 동작 및 저전력 특성의 실난수 생성이 가능한 실난수 발생 장치에 관한 것이다. 일반적으로 난수 발생 장치는 실난수 발생 장치와 의사난수 발생 장치로 분류된다. 통상적으로 의사난수 발생 장치는, 퍼스널 컴퓨터의 조립 난수 생성과 같이 논리 회로와 소프트웨어에 의하여 난수를 생성하는 방법을 사용하며, 소형 회로로 그 구현이 간단한 장점이 있으나, 동일한 시드(seed)는 동일 난수 생성시키므로 초기 상태가 알려지는 경우 용이하게 난수 예측이 가능하여 기밀보호의 관점에서 불충분한 단점을 가진다. 실난수 발생 장치는 물리적 현상 즉, 전기적으로는 저항체의 열잡음, 반도체에서의 쇼트 잡음(노이즈), 광학적으로 방사선의 발생파 등을 이용하여 난수를 생성하는 방법을 사용함으로, 의사난수 발생 방법보다 안전한 난수 생성을 보장하며, 증폭, 오실레이터 샘플링, 카오스 등과 같은 방법 및 기술로 구현되어 기밀보호가 뛰어난 장점을 가진다. 그러나, 실난수 발생 장치는 상기 잡음 수준이 작아 난수 추출을 위해 잡음 수준을 높여야하는 경우, IC 미세화로 낮아지는 동작 전압 등으로 IC 칩 구현 적합성 등을 해결해야 하는 단점을 가진다. 이와 같은 실난수 발생 장치의 구현 방법에 대해 살펴보면, 먼저 증폭 방법은 통상적으로 신호 증폭 수단과 AD 변환 수단으로 구성되어, 낮은 신호 수준을 증폭하는 기능을 수행한다. 그런데, 증폭 방법은 낮은 신호 수준을 높이기 위해 높은 게인(gain)의 증폭기를 필요로 하여, 신호 증폭에 의한 증폭기 회로 규모의 증가로 소비 전력 증가를 초래하며, 디지털 회로와의 격리 및 전원으로부터의 스파이크 노이즈 제어를 위한 큰 저항 및 커패시터를 필요로 하여 집적도를 저하시키는 문제점을 가진다. 다음으로, 오실레이터 샘플링 방법은 신호 발진 수단과 신호 샘플링 수단으로 구성된다. 여기서, 신호 발진 수단은 링 발진기와 같이 루프 상에 접속되는 복수 개의 지연 회로로 구성되며, 일예로 전압 제어 발진(VCO), 크리스탈 발진 등이 있으나 발진 회로의 특성으로 인한 소비전력의 증가와 난수 데이터의 주기성이 노출될 우려가 있다. 카오스 방법은, 카오스 처리 방법과 신호 이론을 적용한 수단으로 구성된다. 실제로 난수 발생에 있어서 잡음의 수준은 낮기 때문에 매우 큰 감쇄 간섭은 난수 발생 장치의 출력 또는 엔트로피(통계적인 독립) 모두를 빼앗아 간다. 이에, 잡음 신호의 증폭과 샘플링은 증폭기가 피할 수 없는 대역 제한과 경계가 일반적으로 바이어스 되어 더욱 엔트로피를 감소시키며 고-엔트로피 비트의 고속 및 저 가격의 실현이 어렵다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 카오스 처리 방법과 신호 이론을 적용한다. 그러나, 카오스 방법은 실난수 발생 장치의 잡음이 아날로그로 구현됨에 의해 아날로그 신호를 디지털화한 후 적용 알고리즘으로 후 처리하는 디지털 로직으로 구현된다. 따라서, 카오스 방법은 완전한 디지털 설계를 구현하지 못하는 단점과 함께 신속한 시스템 프로토타입 및 적은 규모의 제품 제작과 신기술로의 전이 용이의 가능성이 방해되어 하드웨어로의 구현 갭을 포함하여, 실난수 발생 장치를 제조함에 있어서 상기 갭에 의해 난수 발생 장치의 단가를 상승시키는 문제점을 가진다. 만약, 실난수 생성에 이용되는 물리적인 현상의 공통적인 문제인 복잡한 회로와 물리적/회로 크기를 해결하기 위하여 취약한 회로를 사용하지 않고 랜덤 특성을 가지는 불완전 전송(meta-stability), 위상 및/또는 주파수(phase and/or frequency) 이용 지터(jitter) 등을 적용할 경우, 전압 및 주파수(voltage 0026# frequency) 변화 결합, 물리적 소스 검증과 전기적인 공격에 대한 저항 검증이 필요하다. 또한 서멀(thermal) 또는 산탄 잡음(shot noise)을 적용하여 개별적으로 또는 집적한 형태로 구현 가능하므로 진공관 산탄 잡음(vacuum tube shot noise), 방사성붕괴(radioactive decay), 네온 발광관(neon lamp discharge), 클럭 지터(clock jitter) 및 PC 하드 드라이버 변동(hard drive fluctuations) 등이 잡음원으로 사용 가능하나 실제 잡음원의 신호 수준은 매우 낮기 때문에 큰 감쇄 간섭은 엔트로피를 감소시킨다. 엔트로피를 향상시키기 위하여 디지털 비선형 필터링 또는 감쇄 압축(lossy compression) 등을 적용할 수 있으나 처리 속도(bit-rate)가 감소한다. 한편, 상기와 같은 난수 발생 장치의 단점을 극복하고자, 증폭, 오실레이터 샘플링, 카오스 방법을 이용한 난수 발생 장치를 구현하려는 노력이 계속되고 있다. 이러한 노력 중에서의 하나가 Fairfield, Mortenson and Coulthart[참고 문헌 1]으로 고/저(high/low) 주파수의 샘플링하는 발진기, 바이어스를 제거하기 위한 패리티 필터, 스크램블하는 LFSR로 구성되었다. 또한 Intel[참고 문헌 2]은 열잡음의 증폭 수단으로 VCO와 샘플링하는 발진기로 구성되었다. 그리고 Stojanovski[참고 문헌 3] 등은 스위치 전류(switched current) 기술로 실난수 발생 장치를 구성하여 난수를 발생하도록 만드는 기술이다. [참고문헌 1] R.C. Fair_eld, R.L. Mortenson, and K.B. Coulthart. An LSI Random Number Generator (RNG). In Advances in Cryptography: Proceedings of Crypto 84, pages 203.230. LNCS 0196, Springer-Verlag, 1984. [참고문헌 2] B. Jun and P. Kocher. The intel random number generator. White paper by Cryptographic Research Inc., 1999. ftp://download.intel.com/design/security/rng/CRIwp.pdf. [참고문헌 3] T. Stojanovski, J. Pil, and L. Kocarev. Chaos-based random number generators. Part II: practical realization. IEEE Transactions on Circuits and Systems . I: fundamental Theory and Application, 48(3):382.385, March 2001. 그러나 상기 노력 예에 따른 기술은 LFSR의 스크램블러로의 적용, 증폭과 샘플링의 복합사용과 SHA-1 기반 혼합 기능의 소프트웨어 구조, 아날로그 기반의 설계 등의 단점을 가진다. 또한, 상기 예들에 따른 기술은 성능면에서도 저속임에 따라, 상기 노력 예에 따른 기술은 모바일 기기 등에서 요구되는 저전력 실난수 발생 장치에는 적용되기 어려운 문제점이 있다.