KR20040093872A - 열 잡음을 이용한 난수발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자연계에 존재하는 랜덤현상 중의 하나인 열 잡음을 이용하여 해킹이 불가능한 난수를 발생시키는 난수발생기를 제공하기 위한 것으로, 이를 위한 본 발명은 열 잡음을 발생하는 잡음 발생부; 상기 잡음발생부의 출력을 필터링하는 필터부; 상기 필터부의 출력을 증폭하는 증폭부; 상기 증폭부의 출력을 입력받아 지터가 포함된 저주파 신호를 발생하는 저주파 신호발생부; 상기 저주파 신호발생부의 출력 주파수보다 고주파수를 갖는 신호를 출력하는 고주파 신호발생부; 및 상기 저주파 신호발생부의 출력을 클럭으로 입력받고 상기 고주파 신호발생부의 출력을 데이터로 입력받아 난수를 출력하는 디 플립플롭을 포함하여 이루어진다.

Description

열 잡음을 이용한 난수발생기{RANDOM NUMBER GENERATOR USING THERMAL NOISE}

본 발명은 난수발생기에 관한 것이며, 좀더 상세하게는 열 잡음(thermalnoise)을 이용하여 난수를 발생시키는 난수발생기에 관한 것이다.

통상적으로 스마트 카드(smart card)와 카드 터미널(card terminal)간에 통신을 수행하는 경우나 또는 데이터 통신을 하는 경우에는, 사용자의 개인정보를 보호하기 위하여 암호화된 통신이 필요하다.

이러한 암호화(cryptographical)된 통신에는 난수가 필요한데, 통상적으로 이와같은 난수는 소프트웨어(software)적으로 난수를 발생시키는 프로그램을 이용하여 사용자의 개인정보를 보호하여 왔다.

그러나 이와같이 프로그램에 의해 생성되는 난수는 생성규칙이 용이하게 추정될 수 있어 암호화에는 적합하지 않은 단점이 있었으며 또한, 사용자가 많아짐에 따라 소프트웨어를 사용하여 발생시킨 난수가 일정한 패턴을 가지게 되어, 제3자에 의해 해킹(hacking)을 당할 우려가 있어 실제적으로 이러한 난수 사용에는 문제가 많았다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 자연계에 존재하는 랜덤현상 중의 하나인 열 잡음을 이용하여 난수를 발생시키는 난수발생기를 제공함을 그 목적으로 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 난수 발생기의 구성을 도시한 블록도,

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 난수발생기에서 디 플립플롭의 입력과 출력을 도시한 파형도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11, 12 : 폴리실리콘 저항 21, 22 : 필터

31 : 연산증폭기 41 : 제 1 VCO

51 : 제 2 VCO 52 : NMOS 트랜지스터

61 : D 플립플롭

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 열 잡음을 발생하는 잡음 발생부;상기 잡음발생부의 출력을 필+터링하는 필터부; 상기 필터부의 출력을 증폭하는 증폭부; 상기 증폭부의 출력을 입력받아 지터가 포함된 저주파 신호를 발생하는 저주파 신호발생부; 상기 저주파 신호발생부의 출력 주파수보다 고주파수를 갖는 신호를 출력하는 고주파 신호발생부; 및 상기 저주파 신호발생부의 출력을 클럭으로 입력받고 상기 고주파 신호발생부의 출력을 데이터로 입력받아 난수를 출력하는 디 플립플롭을 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

종래기술에서 설명한 바와같이 난수를 발생시키는 방법으로는 프로그램을 이용하여 난수를 발생시키는 방법이 있을 수 있는데, 이와같은 유사난수는 생성규칙이 용이하게 추정될 수 있기 때문에 암호화에는 적합하지 않다．

따라서, 자연계의 랜덤 현상을 이용하여 난수를 발생시키는 것이 고려되는데, 본 발명은 열 잡음을 이용한 백색잡음(white noise)을 난수소스로 이용하여 예측이 불가능한 난수를 발생시키는 난수발생기에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 난수발생기의 구성을 도시한 블록도면으로서 이를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 난수발생기는 열 잡음을 생성하는 잡음발생부(100)와, 잡음발생부에서 생성된 열 잡음중에서 일정 주파수 성분만을 필터링하여 출력하는 필터부(200)와, 필터부의 출력을 증폭하여 출력하는증폭부(300)와, 증폭부의 출력을 입력받아 지터(jitter)가 포함된 저주파신호를 출력하는 저주파 신호발생부(400)와, 일정전압을 바이어스 전압으로 인가받아 고주파 신호를 출력하는 고주파 신호발생부(500)와, 고주파 신호발생부(500)의 출력을 데이터로 입력받고 저주파 신호발생부(400)의 출력을 클럭으로 입력받는 D 플립플롭(600)으로 구성되어 있다.

먼저, 이와같은 구성을 갖는 난수발생기에서 잡음발생부(100)에 대해 설명하면 다음과 같다. 잡음발생부(100)는 백색 잡음을 발생시키는 부분으로, 본 발명의 일실시예에서는 폴리실리콘 저항(11, 12)의 열 잡음을 백색잡음으로 사용하였으며 또한, 폴리실리콘 저항(11, 12)의 일측단은 접지시킴으로써, 순수한 열 잡음 성분만을 백색잡음으로 사용하도록 하였다.

이때, 폴리실리콘 저항에서 발생하는 열 잡음의 크기는 전압으로 표시할 수 있는데, 수학식 1 에 열 잡음으로 인한 전압을 나타내었다.

V²= 4 ×k ×T ×R ×△f

여기서 V는 열 잡음 전압을 나타내고, k는 볼츠만 상수이며, T는 온도, R은 폴리실리콘의 저항값, △f는 잡음의 대역폭을 나타낸다. 본 발명의 일실시예에서 사용된 폴리실리콘 저항은 수십 KΩ의 저항값을 갖고 있으며, 열 잡음을 사용한 백색잡음은 주파수(f)에 무관하게 일정한 값을 갖는 것으로 알려져 있다. 이러한 주파수 특성을 갖는 열 잡음 전압이 필터부(200)로 입력된다.

다음으로 필터부(200)에 대해 설명하면, 필터부는 2개의 대역필터(21, 22)로 구성되어 있으며, 각각의 대역필터(21, 22)는 각각의 폴리실리콘 저항(11, 12)에 연결되어, 폴리실리콘 저항에서 발생한 열 잡음 전압중에서 일정 주파수 대역만을 필터링하여 출력한다.

이와같이 열 잡음 중에서 일정주파수 대역만을 필터링하는 이유는, 필터부(200)의 후단에 연결된 연산증폭기(operation-amplifier)의 주파수 특성에 부합하여, 연산증폭기(31)가 잡음 전압을 최대로 증폭할 수 있도록 하기 위해서이다.

필터부(200)의 출력을 입력받는 증폭부(300)는 연산증폭기(31)로 구성되며, 연산증폭기의 정 입력단자와 부 입력단자로는 각각의 대역필터(21, 22)의 출력이 입력된다. 연산증폭기는 정 입력단자로 입력되는 잡음전압과 부 입력단자로 입력되는 잡음 전압의 차이를 증폭하여 출력하며, 본 발명의 일실시예에서는 완전차동 (fully differntial) 연산증폭기를 사용하였다.

전술한 바와같이, 연산증폭기로 입력되는 잡음 전압은 필터부에서 필터링되어 연산증폭기의 주파수 특성에 부합하는 일정 주파수 대역의 잡음이므로, 연산증폭기는 잡음전압을 최대로 증폭하여 저주파신호 발생부(400)로 출력하는데, 본 발명의 일실시예에서는 연산증폭기는 수십 mV로 증폭된 열 잡음전압을 출력한다. 이러한 연산증폭기(31)의 출력은 저주파 신호 발생부(400)로 입력되어 지터(jitter)를 갖는 저주파 신호를 생성하는데 사용된다.

저주파 신호에 포함된 지터의 크기는 연산증폭기의 출력에 따라 변하게 되는데, 이때 지터의 크기는 일정조건을 만족시켜야 하며, 이러한 조건을 만족시키기 위해서 연산증폭기의 출력을 조절해줄 필요가 있다. 이에 대해서는 후술한다.

다음으로 저주파 신호 발생부(400)에 대해 설명한다. 저주파 신호 발생부는 제 1 전압제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator : 이하 VCO라 함)(41)로 구성되어 있으며, 제 1 VCO(41)는 연산증폭기(31)의 출력을 입력받아 제 1 주파수를 갖는 저주파 신호를 출력하는데, 이 저주파 신호는 지터(gitter)를 갖고 있으며, 지터의 크기는 연산증폭기의 출력에 따라 변하게 된다.

즉, 랜덤(random)하게 변하는 열 잡음 전압의 크기에 따라 지터의 크기도 랜덤하게 변하게 되며, 이와같은 지터를 갖는 저주파 신호는 디 플립플롭(61)의 클럭(clock)입력단으로 입력되어 샘플링(sampling) 클럭으로 사용된다. 본 발명의 일실시예에서는 저주파 신호의 주파수는 1 ㎒ 로 설정하였으며, 이와같은 저주파 신호의 주파수를 제 1 주파수로 칭하기로 한다.

다음으로 고주파 신호 발생부(500)에 대해 설명한다. 고주파 신호 발생부(500)는 고주파 신호를 발생시키는 제 2 VCO(51)와, 제 2 VCO에 바이어스(bias) 전압을 인가하기 위한 NMOS 트랜지스터(52)로 구성되어 있다. NMOS 트랜지스터(52)의 게이트에 일정전압을 인가하여 트랜지스터를 턴-온시키면, 제 2 VCO(51)에 바이어스 전압이 인가되는데, 이와같이 인가된 바이어스 전압은 제 2 VCO(51)의 출력 주파수를 결정한다. 고주파 신호 발생부(500)는 제 1 주파수 보다 높은 주파수인 제 2 주파수를 갖는 신호를 출력하는데, 본 발명의 일실시예에서 제 2 주파수는 400 ㎒ 로 설정하였다.

이러한 고주파 신호 발생부(500)의 출력은 디 플립플롭(600)의 데이터 입력단으로 입력되며, 저주파 신호 발생부의 출력인 저주파 신호에 의해 샘플링되어 디 플립플롭의 출력이 된다.

다음으로 도1과 도2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 난수발생기의 동작을 설명한다. 도2는 제 1 VCO, 제 2 VCO 및 D 플립플롭의 출력파형을 도시한 파형도이다.

이를 참조하면, 먼저 제 1 VCO(41)의 출력은 1 ㎒의 주파수를 갖고 있으며, 또한 랜덤하게 크기가 변하는 지터를 포함하고 있다. 지터의 크기는 연산증폭기(31)의 출력에 따라 변하게 되며, 연산증폭기(31)의 출력은 필터부(200)의 출력인 열잡음 전압에 의해 변하게 되므로, 결과적으로 지터는 랜덤하게 변하는 크기를 갖는다.

이와같이 지터가 포함된 제 1 VCO(41)의 출력은 샘플링 클럭으로 사용되어 D 플립플롭(61)으로 입력되는 제 2 VCO(51)의 출력을 샘플링한다.

D 플립플롭의 데이터 입력단으로 입력되는 제 2 VCO(51)의 출력은 400 ㎒의 주파수를 갖고 있는 고주파 신호이며, 제 1 VCO(41)의 출력인 저주파 신호의 라이징 엣지(rising edge)에서 샘플링되어 D 플립플롭(61)의 출력이 된다.

이와같은 샘플링동작에서, 샘플링 클럭인 저주파 신호는 지터를 포함하고 있기 때문에, 저주파 신호의 라이징 엣지가 랜덤하게 변하게 되므로, 결과적으로 샘플링되는 고주파 신호의 값은 '0' 과 '1' 중에서 랜덤하게 변하게 된다.

이때, 저주파 신호에 포함된 지터의 크기는 고주파 신호의 한 주기 이내의값을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 고주파 신호가 400 ㎒인 경우에는 지터의 크기가 2.5 ns 이내인 경우에 true 랜덤한 난수를 발생시킬 수 있다. 이와같은 지터 크기의 조정은 연산증폭기의 출력을 조절함으로써 가능하다.

도2를 참조하면, 크기가 랜덤하게 변하는 지터를 포함한 저주파 신호를 샘플링클럭으로 입력받고 고주파 신호를 데이터 입력으로 입력받는 디 플립플롭은 랜덤한 값을 출력하고 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명을 적용할 경우에는 반복적인 데이터 패턴을 갖는 난수가 아니라 해킹이 불가능한 랜덤 패턴의 난수를 발생시킬 수 있어 개인정보 보호에 효과적으로 이용될 수 있다.

Claims (7)

1. 열 잡음을 발생하는 잡음 발생부;

   상기 잡음발생부의 출력을 필터링하는 필터부;

   상기 필터부의 출력을 증폭하는 증폭부;

   상기 증폭부의 출력을 입력받아 지터가 포함된 저주파 신호를 발생하는 저주파 신호발생부;

   상기 저주파 신호발생부의 출력 주파수보다 고주파수를 갖는 신호를 출력하는 고주파 신호발생부; 및

   상기 저주파 신호발생부의 출력을 클럭으로 입력받고 상기 고주파 신호발생부의 출력을 데이터로 입력받아 난수를 출력하는 디 플립플롭

   을 포함하여 이루어지는 난수발생기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 저주파 신호에 포함된 지터의 크기는 상기 고주파 신호의 한 주기 이내의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 난수발생기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 저주파 신호발생부와 상기 고주파 신호발생부는 전압제어 발진기을 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 난수발생기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 증폭부는 연산증폭기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 난수발생기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 잡음 발생부는 폴리실리콘 저항을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 난수발생기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 폴리실리콘 저항의 일측은 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 난수발생기.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 필터부는 상기 연산증폭기의 주파수 특성에 부합하는 일정 주파수 성분만을 필터링하여 출력하는 것을 특징으로 하는 난수발생기.