다중 전압 공급을 활용한 링 오실레이터 PUF 설계 및 응용

초록

본 논문은 링 오실레이터 기반 물리적 난수함수(PUF)에 인버터별로 서로 다른 전압을 공급하는 새로운 구조를 제안한다. 이를 통해 챌린지‑응답 쌍(CRP)의 수를 크게 확대하고, 면적 효율성을 유지하면서 온도 변동에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있음을 보인다.

상세 분석

RO‑PUF는 회로 내 인버터들의 공정 변동에 의해 발생하는 진동 주파수 차이를 이용해 비밀키를 생성한다. 전통적인 설계에서는 모든 인버터가 동일 전압(VDD)으로 구동되므로, 주파수 차이는 오직 트랜지스터 매개변수의 미세 차이에만 의존한다. 이 논문은 각 인버터에 다중 전압 레벨(예: VDD, VDD‑ΔV, VDD+ΔV 등)을 독립적으로 할당함으로써, 전압에 따른 전류‑전압 특성 변화가 주파수에 추가적인 변동성을 제공하도록 설계하였다. 전압 레벨 조합은 2^N( N은 인버터 수)가지의 전압 배치 조합을 가능하게 하여, 동일한 물리적 구조에서도 서로 다른 전압 매핑을 통해 새로운 CRP를 생성한다. 결과적으로 동일 회로에 대해 기존 대비 지수적으로 많은 챌린지를 제공하면서도 회로 면적은 변하지 않는다.

전압 변동은 온도에 따른 전압‑전류 곡선 변화와 상쇄 효과를 가질 수 있다. 온도 상승 시 트랜지스터의 이동도 감소로 주파수가 낮아지지만, 전압을 높게 설정하면 이 감소를 보상할 수 있다. 따라서 온도 변동에 대한 신뢰도가 크게 개선된다. 또한, 전압 레벨을 동적으로 선택함으로써 전력 소모를 제어할 수 있어, 저전력 환경에서도 충분한 엔트로피를 확보한다.

보안 측면에서는 전압 레벨 자체가 비밀 파라미터가 될 수 있어, 공격자는 회로 레이아웃만으로는 전체 CRP 공간을 재구성하기 어렵다. 그러나 전압 공급 라인에 대한 물리적 접근이나 전압 변조 공격(Voltage Glitch Attack)에 대비한 방어 메커니즘이 필요하다. 설계자는 전압 레벨 선택 로직을 난수화하거나, 전압 레벨 변화를 감지하는 센서를 삽입해 비정상적인 전압 변화를 탐지할 수 있다.

제안된 구조는 설계 복잡도가 약간 증가하지만, 현대 ASIC/FPGA 설계 흐름에서 멀티 전압 도메인을 지원하는 툴이 보편화되어 있어 구현 비용은 크게 상승하지 않는다. 또한, 전압 레벨 매핑을 저장하는 작은 LUT가 필요하지만, 이는 전체 면적 대비 미미한 수준이다.

요약하면, 인버터별 다중 전압 공급은 RO‑PUF의 엔트로피, CRP 수, 온도 신뢰성, 전력 효율성을 동시에 개선하는 효과적인 방법이며, 향후 하드웨어 보안 시스템에 적용 가능성이 높다.