KR100421564B1 - 물리 난수 신호 발생기 및 그 난수 생성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물리 난수 신호 발생기 및 그 난수 생성 방법에 관한 것으로서, 열잡음 발생 소자에서 발생하는 열잡음을 차동증폭기를 이용하여 아날로그적으로 증폭하고, 그 증폭한 신호를 샘플링하여 디지타이즈한 후에 물리 난수를 발생하므로써, 종래에 큰 면적을 차지하던 AD 변환기 대신에 비교기를 사용하여 면적을 대폭 줄이고, 옵셋 조절 회로를 넣어서 종래 기술에서 문제시되던 0,1 출력 빈도 편차를 줄이며, 난수 데이터를 직.병렬로 출력하여 소비자의 용도에 맞게 쓸수 있도록 한 물리 난수 신호 발생기 및 그 난수 생성 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 물리 난수 발생기에 따르면 난수를 발생하기 위한 구성에 종래의 큰 면적을 차지하던 아날로그/디지털 변환기 대신에 비교기를 적용하여 칩의 사이즈가 대폭 줄어드는 효과가 있으며, 열잡음 소자에서 발생한 열잡음을 옵셋 조절기를 이용하여 출력 신호가 한쪽으로 치우치는 것을 방지함으로써 0 과 1의 출력빈도의 편차를 줄여 디지털 신호로서의 신뢰성을 향상시켰으며, 물리 난수 발생기에서 출력되는 난수 데이터를 직렬/병렬로 출력 가능하게 하여 소비자의 사용 용도에 맞게 선택적으로 쓸 수 있는 편리성을 갖는 효과가 있다.

Description

물리 난수 신호 발생기 및 그 난수 생성 방법{PHYSICAL RANDOM SAMPLING NUMBERS GENERATOR AND METHOD THEREOF}

본 발명은 물리 난수 신호 발생기 및 그 난수 생성 방법에 관한 것으로서, 열잡음 발생 소자에서 발생하는 열잡음을 차동증폭기를 이용하여 아날로그적으로 증폭하고, 그 증폭한 신호를 샘플링하여 디지타이즈한 후에 물리 난수를 발생하므로써, 종래에 큰 면적을 차지하던 AD 변환기 대신에 비교기를 사용하여 면적을 대폭 줄이고, 옵셋 조절 회로를 넣어서 종래 기술에서 문제시되던 0,1 출력 빈도 편차를 줄이며, 난수 데이터를 직/병렬로 출력하여 소비자의 용도에 맞게 쓸 수 있도록 한 물리 난수 신호 발생기 및 그 난수 생성 방법에 관한 것이다.

최근 사회가 디지털화되어 감에 따라 종래에 오프라인으로 행해지던 다양한 작업들이 디지털 데이터에 의한 전자 시스템에 의해 대체되어 가고 있으며, 전자 서명 및 인증 등의 정보 보안, 비밀 키 작성, 암호 등의 다양한 분야의 인증 및 보호를 위해 난수가 사용되고 있다.

이러한 난수에는 인위적으로 작성하는 의사 난수와 자연계에 존재하는 물리 현상을 이용하는 물리적 난수가 대표적이며, 의사 난수가 논리회로와 소프트웨어의 처리에 의해 생성되는 난수인 반면에, 물리 난수는 저항체의 열잡음, 진공관과 반도체의 PN 접합에 있어서 쇼트 잡음, 전기 광학적으로는 광자 생성에 따르는 쇼트잡음 그 외 방사선의 발생 파동 등과 같이 디바이스 내부에서 발생하는 열잡음을증폭하여 물리 난수를 발생시키는 원리가 적용된다.

이러한 물리 난수 신호 발생기에 대한 대표적인 일례를 첨부된 도 1에 블럭도를 이용하여 나타내었다.

도 1에 게시된 종래 기술에 따르면, 도면번호 1001은 열잡음 검출부로서, 열잡음은 열잡음 발생소자(1)로부터 발생되어 소스 팔로워(Source Follower) 회로의 구동 MOS-FET와 E/D(Enhancement/Depletion) 인버터의 구동 MOS-FET를 통해 난수 발생부(1002)에 전달되고, 난수 발생부(1002)에서는 S/H(Sample and Hold) 스위치를 통하여 들어온 아날로그 신호를 아날로그/디지털(A/D) 변환기를 통하여 디지털화하며, 암호키 생성부(1003)에서는 난수 발생부(1002)에서 발생시킨 디지털화된 난수 신호를 본래의 암호키를 계산하여 대부분의 암호키를 이용하여 기밀을 필요로 하는 데이터의 입출력 동작을 수행하게 된다.

이와 같은 종래의 대표적인 난수 발생기는 열잡음 발생소자에서 발생한 열잡음을 샘플링하여 전하형태에서 취출하고 직류화하여 전압증폭하고 상기 증폭되어진 전압신호를 아날로그 디지털 변환하여 복수 비트에서 난수를 발생하도록 하여 효율좋게 취출하면서 전압증폭회로의 주파수 대역이 작고 유용한 회로 설정의 자유도를 크게 하는 것이 가능하다고 언급하고 있다.

그러나, 위 난수 발생기는 난수 발생부(1002)에 아날로그/디지털 변환기를 넣어서 칩의 사이즈에 큰 영향을 미치는 문제점이 있었고, 복수 비트, 즉 병렬 비트의 난수만 발생하므로 사용자가 직렬 비트의 난수를 원하는 경우 사용상의 제한이 생기는 문제가 있으며, 열잡음 소자에서 발생한 것을 증폭하여 그대로 사용하기때문에 0과 1의 출력 빈도에 편차가 생기는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 물리 난수 발생기에서 큰 면적을 차지하던 아날로그/디지탈 변환기가 배제된 구성을 제공하여 부피가 대폭 줄어든 물리 난수 발생기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 열잡음 소자에서 발생한 것을 증폭하여 그대로 사용함에 따라 발생하던 0, 1 출력빈도 편차를 대폭 줄일 수 있는 물리 난수 발생기를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 물리 난수 발생기에서 출력되는 난수 데이터를 직, 병렬로 출력하여 Customer의 용도에 맞게 쓸 수 있도록 하는 물리 난수 발생기를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 후술될 구성 및 작용에서 더욱 상세히 설명될 것이다.

도 1은 종래의 난수 발생 회로를 나타내기 위한 블럭도.

도 2는 본 발명에 따른 물리 난수 발생기를 나타내기 위한 블럭도.

도 3은 본 발명에 따른 옵셋 조절기의 회로도.

도 4는 본 발명에 따른 비교기의 회로도.

도 5는 본 발명에 따른 클럭 동기 로직의 직렬 난수 발생기의 회로도.

도 6은 본 발명에 따른 직렬 난수 발생기의 타이밍도.

도 7은 본 발명의 따른 병렬 난수 발생기의 회로도.

도 8은 본 발명에 따른 병렬 난수 발생기의 FD2X4의 회로도.

도 9는 본 발명에 따른 병렬 난수 발생기의 타이밍도.

도 10a 내지 도 10d는 본 발명에 따라 각 부위에서 발생하는 파형을 나타낸도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100: 열잡음 발생기 200: 증폭기

300: 비교기 400: 옵셋 조절기

500: 수정발진회로 600: 클럭 발생기

700: 클럭 동기 로직 800: 병렬 난수 발생기

상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 물리 난수 발생기는, 소자의 물리적 특성에 의해 열잡음 신호를 발생하는 열잡음 발생부; 상기 열잡음 발생부로부터 열잡음을 인가받아 증폭된 신호로 증폭하는 증폭기; 소정 기준의 클럭을 발생시키는 수정 발진 회로; 상기 수정발진회로로부터 클럭을 인가받아 필요한 주파수에 맞는 클럭을 발생하는 클럭 발생부; 상기 클럭 발생부에서 발생된 클럭과 상기 증폭기로부터 증폭된 열잡음 신호를 인가받아, 증폭된 열잡음 신호를상기 클럭에 동기시켜 난수 신호를 발생시키는 비교기; 상기 클럭 발생기로부터 클럭을 인가받으며, 상기 비교기로부터 발생한 난수 신호를 인가받아 시간에 동기하여 하나의 클럭에 하나의 난수를 발생시키는 방법으로 직렬 난수 신호를 발생하고, 클럭 출력 신호를 발생하는 클럭 동기 로직을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 클럭 발생기로부터 클럭을 인가받으며, 상기 클럭 동기 로직의 직렬 난수 신호와 클럭 출력 신호를 인가받아 하나의 클럭에 여러 개의 난수를 발생시켜 N 비트의 난수 신호를 출력하는 병렬 난수 발생기가 더 포함되어 사용자의 선택에 따라 직렬 난수 또는 병렬 난수를 용도에 맞게 사용할 수 있도록 구성될 수 있다.

그리고, 상기 증폭기는 바람직하게 큰 진폭으로 증폭하는 전치 증폭기와, 전치 증폭기보다 작은 진폭으로 증폭하는 후치 증폭기를 갖는 차동 증폭기가 사용될 수 있으며, 상기 증폭기가 아날로그 회로이기 때문에 발생하는 옵셋을 줄이기 위해 상기 증폭기에는 소정 전압 레벨로 옵셋을 제공하는 옵셋 조절기로부터 출력이 조정된 옵셋 전압을 인가받도록 구성되어 0 또는 1의 출력이 한쪽으로 치우치는 것을 방지하여 난수 신호의 출력빈도 편차를 줄일 수 있도록 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 난수 신호를 발생시키는 방법은, 열잡음 발생부로부터 발생한 열잡음을 증폭기에서 증폭한 열잡음 신호로 출력하는 제 1 단계, 증폭된 열잡음 신호를 비교기에서 디지타이즈하여 난수를 발생하는 제 2 단계, 클럭 동기 로직에서 클럭 발생기와 비교기로부터 각각 클럭 신호와 난수 신호를 인가받아 직렬 난수 신호를 발생하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 제 3 단계이후에 클럭 동기 로직과 클럭 발생기로부터 각각 직렬 난수 신호와 클럭 신호를 인가받아 N 비트의 병렬 난수 신호를 발생하는 제 4 단계가 더 포함될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

하기에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 보이는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략하도록 하며, 후술되는 용어들은 본 발명의 기능을 고려하여 임의로 설정된 용어들이 사용되어 질 수 있으며, 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2 내지 도 10는 본 발명에 따른 블록도, 회로도 및 파형을 나타내는 도면들로서, 도 2 내지 도 10을 이용하여 본 발명에 따른 구성과 난수 발생 방법을 동시에 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 물리 난수 발생기(100)를 나타내기 위한 회로도로서, 본 발명에 따른 물리 난수 발생기(100)는 크게 열잡음 발생부(100), 증폭기(200), 비교기(300), 옵셋 조절기(400), 수정발진회로(500), 클럭 발생기(600), 클럭 동기 로직(700), 병렬 난수 발생부(800), 저역통과필터(900) 및 스위치(1000)로 구성된다.

열잡음 발생부(100)는 소자의 물리적 특성에 기인한 열잡음에 의해 진폭 약 20 uVp-p의 백색 잡음 신호를 발생하도록 구성되며, 도면번호 200의 증폭기는 전치증폭기(201)와 후치 증폭기(202)로 구성되는 차동 증폭기로서 열잡음 발생부(100)로부터 발생된 백색 잡음 신호를 인가받아 증폭하도록 구성된다.

이와 같이 열잡음 발생부(100)가 열잡음을 내부에서 발생하기 때문에 제너 다이오드(Zener diode)등과 같은 외부 부품은 필요가 없게 된다.

구체적으로 전치 증폭기(201)에서는 약 40 dB정도의 증폭률로 증폭하고, 후치 증폭기(202)에서는 전치 증폭기(201)에서 증폭된 출력을 약 12 dB 정도로 증폭하면서 동시에 옵셋 조절기(400)로부터 출력 레벨이 일정하게 조정된 신호들을 인가받아 자체의 옵셋을 포함한 아날로그계의 옵셋을 없애서 출력이 한쪽으로 치우치는 것을 방지하도록 구성된다.

열잡음 발생부(100)에서 발생하여 증폭기로 인가되는 신호 N_N와 N_P의 신호 파형은 도 10a에 잘 나타나 있으며, 전치 증폭기(201)를 거쳐 후치 증폭기(202)로 인가되는 신호 AMP_P와 AMP_N의 파형은 도 10b에 잘 나타난다.

저역통과필터(LPF)(900)는 후치 증폭기(202)로부터 출력되는 신호를 평탄화하여 스위치(1000)가 열렸을 때 비교기(300)에 보내도록 구성되어, 비교기(300)로 입력되는 입력 신호는 후치 증폭기(202)와 저역통과필터(900)에서 출력되는 신호가 입력된다.

그리고, 위의 옵셋 조절기(400)의 구체적인 실시예의 구성은 도 3의 회로도에 나타나 있는 바와 같으며, 도 3에 게시된 PV, NV1, NV2 신호는 바이어스 회로에서 출력된 일정한 전압 레벨을 가진 신호들이며, 전원전압이 3.0V라고 가정할 때 바람직하게 PV는 약 1.75V, NV1은 약 0.9V, NV2 신호는 약 2.3V의 출력 전압 레벨을 갖도록 구성되어 있다.

그리고, 여기서 RESET_B신호는 전원이 들어오거나 외부에서 입력되는 신호로써 항상 High level을 유지하며, CON_N신호와 CON_P신호에 따라 CAP_N node에 전류가 들어가거나 나가는데 CAP_P node와 CAP_N node가 RESET_B신호가 들어가는 스위치에 의해 charge sharing이 일어나면서 출력이 한쪽으로 치우침을 보완하도록 구성되며, 이러한 옵셋 조절에 의해 종래 기술에서 문제시 되던 0 과 1의 출력빈도 편차를 줄이도록 구성된다.

수정발진회로(500)은 본 발명에 따른 물리 난수 발생기(100)의 기준 클럭, 예를 들어 4.9152Mhz의 주파수를 발생시키도록 구성되며, 클럭 발생기(600)에서는 수정발진회로(500)에서 발생한 주파수를 인가받아 본 발명에서 요구하는 클럭을 발생하여 비교기(300), 클럭 동기 로직(700) 및 병렬 난수 발생부(800)으로 인가하도록 구성되며, 다른 한편으로는 수정발진회로(500)를 생략하고 외부에서 기준 클럭을 인가받는 구성으로도 가능해진다.

비교기(300)는 상술한 증폭기(200)로부터 증폭된 열잡음 신호를 인가받고, 클럭 발생기(600)에서 도 10d에 나타난 cmpclk 클럭을 인가받아 열잡음 신호를 인가받은 클럭에 동기시켜 샘플링 및 디지타이즈하도록 구성된다.

도 4에 나타난 바와 같은 비교기(300)의 바람직한 일 실시예의 회로 구성에 따라 P-BIAS1, P-BIAS2, N-BIAS와 같은 일정한 전압 레벨들을 갖는 신호들을 입력받으며, IN_N(부 신호)이 IN_P(정 신호)보다 High level인 경우에는 CMP_OUT 신호로서 CLK와 같은 신호가 나오고, IN_N(부 신호)가 IN_P(정 신호)보다 Low level이면 CLK신호에 관계없이 항상 High level이 나온다.

이렇게 본 발명에서는 물리 난수 발생기(100)에서 큰 면적을 차지하던 아날로그/디지탈 변환기가 배제된 구성을 제공하여 면적을 대폭 줄일 수 있게 되며, 이때, 비교기(300)로 입력되는 입력 신호의 파형은 도 10c와 같이 된다.

비교기(300)에서 발생한 신호 CMP_OUT는 도 10d에 나타난 바와 같이 클록 동기 로직(700)으로 인가되어 직렬(serial) 난수 신호를 출력하도록 구성되며, 구체적인 회로로서 도 5에 게시한 바와 같다.

도 5의 클럭 동기 로직(700)에 따르면, 비교기(300)로부터 인가되는 CMP_OUT 신호와 클럭 발생기(600)에서 인가되는 클럭 신호 TCLK를 인가받아 일반적인 D-플립플롭(Flip-Flop)에 의해 도 6과 같은 타이밍도의 SOUT(직렬난수신호)를 발생하도록 구성된다.

병렬 난수 발생기(800)는 클럭 발생기(600)로부터 클럭 신호를 인가받고, 클럭 동기 로직(700)에서 SOUT 와 TCLK(클럭출력신호)를 인가받아 도 7과 같은 회로도에서 N 비트의 병렬 난수 신호를 발생하도록 구성된다.

이때, 도 7의 병렬 난수 발생기(800)의 FD2X4의 회로도를 도 8에 나타내었으며, 도 9에서는 병렬 난수 발생기(800)의 타이밍도를 나타내었다.

그리고, 본 발명에서 난수 신호를 발생시키는 방법을 재차 언급을 하면, 열잡음 발생부(100)로부터 발생한 열잡음을 증폭기(200)에서 증폭한 열잡음 신호로 출력하고(단계 S1), 증폭된 열잡음 신호를 비교기(300)에서 디지타이즈하여 난수를 발생하고(단계 S2), 클럭 동기 로직(700)에서는 클럭 발생기(600)와 비교기(300)로부터 각각 클럭 신호와 난수 신호를 인가받아 직렬 난수 신호를 발생하며(단계 S3), 클럭 동기 로직(700)과 클럭 발생기(600)로부터 각각 직렬 난수 신호와 클럭 신호를 인가받아 N비트의 병렬 난수 신호를 발생하는 단계 S4에 의해 사용자의 선택에 따라 직렬 또는 병렬 난수 신호를 선택할 수 있는 물리 난수 발생기(100)의 난수 발생 방법이 이루어지게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하였지만, 본 발명의 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 얼마든지 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 잘 알 것이며, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해 결정되어 져야 할 것이다.

본 발명에 따른 물리 난수 발생기에 따르면 난수를 발생하기 위한 구성에 종래의 큰 면적을 차지하던 아날로그/디지털 변환기 대신에 비교기를 적용하여 칩의 사이즈가 대폭 줄어드는 효과가 있으며, 열잡음 소자에서 발생한 열잡음을 옵셋 조절기를 이용하여 출력 신호가 한쪽으로 치우치는 것을 방지함으로써 0 과 1의 출력빈도의 편차를 줄여 디지털 신호로서의 신뢰성을 향상시켰으며, 물리 난수 발생기에서 출력되는 난수 데이터를 직, 병렬로 출력가능하게 하여 소비자의 사용 용도에 맞게 선택적으로 쓸 수 있는 편리성을 갖는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 열잡음 발생부와 열잡음을 증폭하는 증폭기및 클럭 발생부를 포함하는 물리 난수 신호 발생기에 있어서,

   소정 레벨의 옵셋 전압을 제공하는 옵셋 조절기로부터 출력이 조정된 옵셋 전압을 인가받도록 구성되어 물리 난수 신호의 0 또는 1의 출력이 한쪽으로 치우치는 것을 방지하여 난수 신호의 출력빈도 편차를 줄이도록 구성되는 증폭기;

   소정 기준의 클럭을 발생시키는 수정발진회로로부터 클럭을 인가받아 필요한 주파수에 맞는 클럭을 발생하는 클럭 발생부;

   상기 클럭 발생부에서 발생된 클럭과 상기 증폭기로부터 증폭된 열잡음 신호를 인가받아 클럭에 동기시켜 난수 신호를 발생시키는 비교기; 및,

   상기 비교기로부터 발생한 난수 신호를 인가받아 시간에 동기하여 하나의 클럭에 하나의 난수를 발생시키는 방법으로 직렬 난수 신호를 발생하고, 클럭 출력 신호를 발생하는 클럭 동기 로직을 포함하는 것을 특징으로 하는 물리 난수 신호 발생기.
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