한양대학교 신소재공학부 김형진 교수 연구팀이 멤리스터(Memristor) 소자의 3차원 적층 기술을 적용해 초고밀도·고신뢰 물리적 복제방지 기능(Physical Unclonable Function, 이하 PUF)을 개발했다고 4일 밝혔다. 이번 성과는 메모리 반도체 기반 차세대 컴퓨팅 보안 기술의 패러다임을 바꿀 핵심 원천기술로 평가된다.

PUF는 반도체 소자의 미세한 물리적 변동성을 활용해 디지털 복제가 불가능한 보안 키를 생성하는 기술로, 사물인터넷(IoT)과 데이터 센터 등 차세대 보안 인프라에 필수적인 핵심 요소다. 그러나 기존 2차원 멤리스터 어레이 기반 PUF는 난수 공간이 제한적이고 보안성이 낮다는 한계가 있었다.

이러한 한계를 극복하고자 연구팀은 32×32 크기의 멤리스터 어레이 두 층을 적층한 ‘2×32×32 3D 크로스바 어레이’를 제작하고, 중간 전극을 통해 두 층의 전류 차이를 직접 비교하는 자체 차동 방식을 구현했다. 이를 통해 약 6×10¹⁹개의 Challenge-Response Pair(CRP)를 확보해 기존보다 훨씬 넓은 난수 공간을 제공할 수 있음을 입증했다.

또한 멤리스터 어레이를 반복적으로 재쓰기하며 보안 키를 재구성하는 기능을 실험으로 확인했다. 그 결과 보안 키 노출 시에도 새로운 키를 생성할 수 있었으며, 평균 비트 오류율(BER) 0.336%의 높은 신뢰성과 NIST 난수 검증 테스트 전 항목 통과, 머신러닝 공격에 대한 높은 내성을 모두 확보했다.

김형진 교수는 “이번 연구는 초고밀도 집적이 가능한 3D 멤리스터 구조의 고유 특성을 보안 소자에 적용한 사례로, 차세대 하드웨어 보안 등 메모리 반도체 기반 컴퓨팅 응용의 핵심 원천기술이 될 것”이라며 “국내 메모리 반도체 기술의 글로벌 경쟁력 강화에 기여하겠다”고 전했다.

이번 연구는 한국연구재단의 혁신연구센터사업, PIM 인공지능반도체핵심기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 나노과학 분야 세계적 권위지 『ACS 나노(ACS Nano, IF: 18.1)』 8월호에 게재됐다. 해당 논문 「Physical Unclonable Function with 3D Stacked Memristor Crossbar Array Using Self-Differential Pair」에는 박진우 연구원이 제1저자, 김형진 교수가 교신저자로 참여했다.