양자보안 스마트폰은 어떻게 만들어졌나?

안녕하세요!

지난 5월 22일 SKT에서 양자보안 5G 스마트폰인 '갤럭시 A 퀀텀(A71)'을 출시했죠!

세계 최초로 양자난수생성(QRNG) 칩셋을 탑재한 점이 특징인 이 제품은,

양자보안 기반으로 보안이 강화된 일부 서비스를 제공합니다.

이 제품은 기존에 SK텔레콤이 삼성전자, 양자암호통신 자회사 IDQ와 협력해 개발한 것으로 알려졌지만,

국내 반도체 설계 전문 기업 비트리도 크게 기여한 것으로 확인되었습니다.

어떻게 만들어졌는지 본격적으로 알아볼까요?

IDQ 양자암호 기술과 비트리의 반도체 설계 기술 결합

SK 텔레콤은 국내 강소 기업 비트리와 지난 4년간 양자난수생성 칩셋 상용화를 진행해왔다고 11일 밝혔습니다.

2014년 설립된 비트리는 이미지센서와 같은 반도체 칩셋을 정밀 설계하고 이 솔루션을

글로벌 반도체 제조사에 공급하는 팹리스 기업입니다.

SK텔레콤은 2016년 IDQ의 양자 난수 생성 원천 기술을 기반으로 QRNG 칩셋을 만들기 위해 반도체 설계 전문 파트너사를 찾던 중 비트리에 제안을 했다고 밝혔습니다. 이후 2018년 IDQ가 SK텔레콤 자회사로 편입된 후 칩셋 개발에 속도가 붙었고 양사는 같은 해 IoT/자율주행용 QRNG 칩셋과 올해 모바일용 QRNG 칩셋을 세계 최초로 상용화했습니다.

QRNG 칩셋은 2016년 USB 형태의 시제품에서 2018년 가로세로 5.0×5.0mm 크기로 소형화됐으며, 올해 새끼손톱보다 작은 2.5×2.5mm 크기로 줄었습니다.

양자난수생성 칩셋은 ‘양자(Quantum)’의 특성을 활용해 예측 불가능하고 패턴이 없는 순수 난수를 생성함으로써

스마트폰 이용자가 특정 서비스를 안전하게 사용하도록 돕습니다. 칩셋 안에서 LED 광원부가 빛(양자)를 방출하고,

이 빛을 CMOS 이미지센서가 감지해 디지털 신호로 변환해 난수를 생성하는 원리입니다.

또 제3자가 칩셋을 물리적으로 해킹하는 것을 막기 위해 칩셋 내부에 구동 클럭(속도) 조절 기능, 부품별로 다른 전압을 공급하는 멀티 전원, 전원 감지 및 자동 초기화 기능, 칩셋 내부 데이터 접근 차단 기능 등을 구현했습니다.

양자암호통신이란?

양자암호통신은 '양자(Quantum)'의 특성을 이용한 암호화 기술입니다. 송신부와 수신부만 해독할 수 있는 도청 불가능한 암호키를 생성하는 ‘양자키분배(QKD)’ 기술이 핵심이지요. 또 패턴 분석이 불가능한 무작위 숫자를 만드는 ‘양자난수생성기(QRNG)’도 양자 특성을 이용한 암호화 장치입니다.

양자는 물리학에서 더 이상 쪼갤 수 없는 물리적 독립체의 최소 단위입니다. 양자에는 광자, 전자, 이온, 원자 등 여러 가지 종류가 있는데 양자 암호에는 빛의 최소 단위인 광자가 활용되고 있습니다. 이 양자의 큰 특징은 중첩성, 얽힘, 불확정성인데, 예를 들어 디지털의 비트는 0, 1의 두 가지 상태만 존재할 수 있지만, 양자화된 큐비트(qubit)는 0이면서 동시에 1인 상태로 존재할 수 있습니다. 양자 얽힘(entanglement)은 두 양자가 떨어져 있어도 존재할 수 있다는 특성이지요. 불확정성은 서로 다른 물리량이 동시에 정확히 측정이 불가능하다는 특성입니다.

이 세 가지 특성으로 인해 양자는 복제가 불가능합니다. 또한, 다시 중첩된 상태로 되돌릴 수 없는 성질 비가역성을 지니고 있기 때문에 양자 정보를 중간에 가로챌 수 없습니다. 기존 통신 방식을 공을 주고받는 행위로 비유하면, 제 3자가 몰래 공을 가로챈 후 복제본을 전달해도 탈취 여부를 알기 어렵습니다. 반면, 양자암호통신은 비눗방울을 주고받는 것과 같아서, 제 3자가 비눗방울을 건들기만 해도 형태가 변형돼 해킹이나 복제가 불가능합니다.

6개월간 100만번 테스트.

QRNG 칩셋에는 LED 광원, CMOS 이미지센서, 전력 어답터 등 수많은 정밀 부품이 들어갑니다. 비트리는 칩셋 크기를 줄이기 위해 모든 부품 설계를 변경할 때마다 반도체 웨이퍼를 생산하는 DB 하이텍과 최종 패키징을 담당하는 아이에이네트웍스에 다시 설계도를 전달하고 시제품을 만들어 테스트하는 과정을 반복했습니다. 또 완전한 무작위성을 가진 순수 난수를 생성하기 위해 6개월간 약 100만번의 테스트를 거쳤습니다.

SK텔레콤은 양자보안 기술 관련 사업을 확대해 나갈 예정이라고 합니다. IDQ, 비트리와 함께 개발한 QRNG 칩셋을 글로벌 스마트폰, IoT, 자율주행 기업에 공급하는 사업을 추진 중이며, 일부 사업은 가시화하고 있습니다.

스마트폰 분야에서는 양자보안 기술이 탑재된 스마트폰 라인업을 늘릴 계획입니다. 또 개발자들에게 관련 API를 공개해 스마트폰에서 이용 가능한 양자보안 기반 서비스를 확대할 예정입니다. 자동차 전장, 클라우드 산업 분야에서도 QRNG 칩셋을 탑재해 반도체 성능을 고도화하는 사업을 추진 중이라고 합니다.