우사인 볼트급 '베타 양자난수발생기' 개발
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우사인 볼트급 '베타 양자난수발생기' 개발
  • 김경섭 기자
  • 승인 2021.09.09 11:26
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원자력연구원-ETRI 공동연구팀, 독자 성공

원자력연구원-ETRI 공동연구팀, 독자 성공
세계 최초 니켈-63 베타선 난수 핵심 칩
IoT용 암호보안시스템 해킹 완벽 차단
김종범 책임연구원이 베타선 신호의 무작위성을 이용해 난수를 생성하고 있는 모습.   사진제공 = 원자력연구원 홍보실.
김종범 책임연구원이 베타선 신호의 무작위성을 이용해 난수를 생성하고 있는 모습. 사진제공 = 원자력연구원 홍보실.

국내 원자력계 연구진이 해킹이 원천적으로 불가능한 진성난수를 고속으로 제공하는 ‘소형 양자난수발생기 핵심 칩’ 개발에 성공해 커다란 이목을 끌고 있다.

한국원자력연구원(원장 박원석) 김종범 박사와 한국전자통신연구원(원장 김명준) 박경환 박사 공동연구팀이 세계 최초로 니켈-63 베타선으로부터 난수를 생성하는 핵심회로를 집적화해 작은 칩으로 만드는 데 성공했다고 9일 밝혔다.

불규칙한 임의의 숫자를 의미하는 난수(Random number)는 모든 암호보안시스템의 핵심 요소로, 난수의 무작위성이 시스템의 보안 수준을 결정한다.

지난 2018년 9월부터 현재까지 과학기술정보통신부 원자력기술개발사업을 통해 수행 중인 이번에 개발한 난수발생기는 방사성동위원소 니켈-63에서 나오는 베타선 신호의 간격을 이용해 난수를 생성한다.

베타선 신호는 무작위로 발생하기 때문에 통계학적으로 완벽하게 분산된 숫자, 즉 다음 숫자를 절대 예측할 수 없는 완벽한 난수를 만들 수 있다.

이렇듯 방사성동위원소가 붕괴하며 나오는 방사선이나 단일 광자의 양자역학적 물리현상에서 무작위 신호를 추출해 얻은 난수를 양자 진성난수라 한다. 단일 광자를 이용한 무작위 신호 추출은 온도, 전원상태 등 외부 요인에 의해 영향을 받을 수 있다.

하지만 방사성동위원소의 붕괴로부터 추출하는 신호는 외부 요인에 영향을 받지 않아 가장 이상적인 난수를 생성한다.

특히 베타선은 에너지가 작기 때문에, 방사선 검출 센서에 영향을 주지 않고 끊임없이 사용할 수 있어 난수를 고속으로 생성할 수 있다. 지금까지는 소형화한 검출 센서와 신호 처리 칩이 개발되지 않아 실용화가 불가능했다.

베타 양자난수 발생기 완성품 구조.
베타 양자난수 발생기 완성품 구조.

원자력연구원-ETRI 공동연구팀은 베타선원 박막 제조기술과 저잡음 CMOS※ 기술을 적용해 베타 양자난수발생기 핵심회로를 집적화함으로써 칩에 넣을 수 있는 수준으로 소형화하는 데 성공했다.

베타선원 박막 제조기술은 아주 작은 양의 니켈-63을 코팅하는 기술이다. 이를 통해 베타선은 난수발생기 내부 검출 센서에만 전달되며, 칩 외부로는 나가지 않는다.

에너지가 작은 베타선의 신호를 잡아내기 위해서는, 신호 추출을 방해하는 반도체 자체의 잡음(노이즈)을 줄여야 한다. 저잡음 CMOS 기술을 활용하면 난수 생성에 필요한 신호 처리 회로를 집적화해 크기를 줄임과 동시에 노이즈를 최소화할 수 있다.

이번 연구결과는 세계 최초로 베타 양자난수발생기를 1.5mm 크기 칩으로 소형화한 것으로, 실용화가 가능해졌다는 점에서 의미를 갖는다.

공동연구팀은 앞으로 베타 양자난수발생기 칩의 성능을 극대화하고, 소형 IoT용 암호통신 시장 진출을 위해 기술 실용화를 추진할 계획이다.

난수발생기는 오늘날 컴퓨터, 이동통신 등 다양한 분야에서 정보를 암호화 하는데 사용되고 있다. 아직까지는 별도의 물리적 장치 없이 알고리즘으로 생성할 수 있는 유사난수가 활용된다.

하지만 유사난수는 해킹기술발전으로 난수생성 알고리즘이 해독될 수 있다는 약점을 지닌다. 이 때문에 보안성을 높이는 근본적인 해결책은 진성난수를 사용하는 것이다.

현재 암호시장은 유사난수 기반 체계에서 진성난수 기반 체계로 바뀌는 전환기에 있다. 암호 시장은 전 세계적으로 10조 원(국내 1,500억 원) 규모로 알려져 있는데, 베타 양자난수발생기는 유사난수 기반의 암호통신 시장을 통째로 대체할 수 있는 잠재력을 지닌다.

특히, IoT에 적용할 경우 보안성을 획기적으로 높일 수 있어, 민간 및 군용 IoT에 폭넓게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

한국원자력연구원 박원석 원장은 “이번에 개발한 베타선 양자난수 생성 기술은 원자력연구원과 한국전자통신연구원이 보유한 핵심기술이 융합된 기술로서 원자력 기술과 ICT 기술이 접목되어 새로운 융합연구 분야를 창출한 좋은 사례” 라고 밝혔다.

한국전자통신연구원 김명준 원장은 “이 기술이 상용화 되면 모든 종류의 컴퓨터, 보안시스템, 프로세서, IoT 모듈에 탑재가 가능한 궁극의 진성난수발생기가 될 것”이라고 말했다.

용어해설
※ CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor, 상보성 금속 산화막 반도체