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정의
물리적 복제 방지 기능(PUF)은 주어진 입력과 조건(챌린지)에 대해 물리적으로 정의된 “디지털 지문” 출력(응답)을 제공하는 모든 물리적 객체를 의미하며, 이는 고유 식별자 역할을 한다. 주로 마이크로프로세서와 같은 반도체 소자에 적용된다.
여기서는 PUF 중에서도 가장 잘 알려진 하위 집합인 실리콘 PUF에 초점을 맞출 것입니다. 이름에서 알 수 있듯이, 이 유형의 PUF는 실리콘에서 인스턴스별 측정값을 얻습니다. 즉, 이러한 PUF는 집적 회로(IC).
심층 서브미크론 제조 공정의 변동성으로 인해, IC 내의 모든 트랜지스터는 물리적 특성이 미묘하게 다릅니다. 이러한 변동성은 트랜지스터의 임계 전압이나 이득 계수 같은 전자적 특성에 미미하지만 측정 가능한 차이를 초래합니다. 제조 과정에서 이러한 공정 변동성을 완전히 제어할 수 없기 때문에, 이러한 물리적 소자 특성은 복제하거나 모방할 수 없습니다.
이러한 고유한 변동을 활용함으로써, PUF는 특정 IC의 고유 식별자로 사용하기에 매우 유용합니다. PUF는 IC 내부의 회로를 통해 미세한 변동을 0과 1로 구성된 디지털 패턴으로 변환하는데, 이 패턴은 해당 칩에 고유하며 시간이 지나도 일관되게 재현됩니다. 이 패턴은 인간의 생체 인식 정보에 비유할 수 있는 “실리콘 지문”입니다.
물리적 복제 방지 기능(PUF)은 어떻게 작동하나요?
보안 및 식별 목적으로 PUF를 활용하는 것은 실리콘 지문을 암호화 키로 변환하는 매우 특정한 알고리즘을 통해 이루어집니다. 이 키는 해당 칩마다 고유하며, 해당 칩의 루트 키로 사용됩니다. 루트 키는 시스템에서 필요할 때마다 PUF를 통해 안정적으로 재구성되며, 어떠한 형태의 메모리에도 키를 저장할 필요가 없습니다. 장치의 전원이 꺼지면 어떤 메모리에도 비밀 키가 존재하지 않으므로, 사실상 루트 키는 공격자에게 ‘보이지 않는’ 상태가 되며, 이로 인해 PUF를 이용한 키 저장은 매우 안전합니다.
따라서 PUF 구현에는 실리콘 지문을 암호학적 루트 키로 변환하는 처리 알고리즘이 필요합니다. 이는 내재된 공정 변동 외에도 온도나 전원 공급과 같은 주변 환경 조건이 전자적 특성에 영향을 미치기 때문에, 서로 다른 측정 결과 간에 실리콘 지문에 약간의 잡음이 발생하기 때문입니다. 따라서 우수한 PUF 구현은 이 잡음이 섞인 지문을 완전히 안정적이고 완전히 무작위적인 0과 1의 문자열로 변환해야만 암호학적 키로 인정받을 수 있습니다. 이를 위해 대부분의 PUF 구현은 다음 두 가지 과정을 사용합니다:
- PUF를 측정할 때마다 도출된 키가 항상 동일하도록 보장하기 위한 오류 보정
- 프라이버시 증폭: 지문 데이터를 0과 1로만 구성된 완전히 무작위적인 문자열로 변환하는 것
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물리적 복제 방지 기능(PUF)의 장점
PUF 기술을 사용할 때의 장점은 다음과 같습니다.
- 높은 보안성: PUF 기술은 장치의 루트 키가 영구 메모리에 절대 저장되지 않기 때문에 높은 수준의 보안을 제공하며, 이로 인해 키를 복제할 수 없고 공격자에게는 보이지 않습니다. 이 기술은 미국 국방부, 여러 EU 정부 및 인증 기관 등을 통해 엄격한 테스트와 인증을 거쳤습니다.
- 높은 유연성: PUF 기술은 장치에 외부 키 주입이 필요하지 않기 때문에 유연성이 매우 높습니다. 이는 신뢰할 수 있는 제3자가 키 주입을 수행할 필요가 없을 뿐만 아니라, 장치의 수명 주기 어느 단계에서나 키 프로그래밍이 가능하도록 함으로써 공급망을 대폭 간소화합니다. PUF 기술은 모든 파운드리 및 공정 노드 기술과 호환되는 표준 CMOS 기술로, 설계자는 대상 노드에 관계없이 보안 아키텍처를 재사용할 수 있습니다.
- 저비용: PUF 기술은 전용 보안 하드웨어(물리적으로 보호된 메모리 등)나 전하 펌프와 같은 고가의 부품이 필요하지 않으므로, 기존의 키 보호 방식에 비해 비용이 매우 저렴합니다. 또한, 키가 장치 내부에서 안전하게 도출되므로, 신뢰할 수 있는 시설에서 장치에 키를 할당하는 데 드는 기존의 비용도 발생하지 않습니다.
이 기술의 활용 분야는 기술의 저렴한 비용과 유연한 구현 방식이 큰 이점을 제공하는 IoT 보안용 PUF부터, 최고 수준의 보안을 제공할 수 있음을 입증하는 항공우주 및 정부용 PUF에 이르기까지 다양합니다.
물리적 복제 방지 기능 및 Synopsys
Synopsys 다음과 같은 업계 최고의 PUF IP 솔루션을 제공합니다:
- Synopsys PUF IP는 세계 최고 수준의 인증을 받은 PUF IP 솔루션으로, 기기 제조업체와 설계자가 내부에서 생성된 기기 고유 암호화 키를 통해 제품의 보안을 강화할 수 있도록 지원합니다.
- Synopsys AP PUF IP는 ISO 26262 기능 안전 규정을 준수하는 개발 프로세스를 거쳐 개발되었으며,자동차 안전 무결성 수준(ASIL) B의 결함 측정 기준( ISO 26262 ) 을 충족합니다.
- Synopsys PUF IP – Software는 PUF 기술을 제공하는 임베디드 소프트웨어 솔루션으로, 하드웨어 보안을 실리콘 제조 공정과 분리함으로써 하드웨어 보안을 대중화하여, IoT 애플리케이션 개발자들이 이를 대규모로 활용하고 이해하며 구현할 수 있도록 보장합니다.
- Synopsys PUF FPGA-X는 버터플라이 PUF와 Synopsys PUF 헬퍼 데이터 알고리즘을 결합하여 프로그래밍 가능한 FPGA 패브릭에서 사용됩니다. Synopsys PUF PFGA-X는 FPGA 구성 파일의 일부이므로 “소프트 PUF” 구현 방식에 해당하며, 배포된 장치에 보안 기능을 사후에 추가할 수 있어 하드웨어 기반 보안의 원격 “브라운필드” 설치가 가능합니다.
Synopsys 물리적 복제 방지 기능(PUF) IP
PUF 기반 보안을 통한 인증 활성화
