Ⅰ. 서 론

 최근 결제 시스템, 인증 시스템, 내부 데이터 보호 등의 응용 분야를 중심으로 보안 칩에 대한 요구가 급증하고 있다. 대부분의 경우 칩을 보호하기 위한 일반적인 보호조치는 소프트웨어 보안기술인 암호화 알고리즘에 의존해왔으며, 칩 내부의 데이터를 얻기 위해서 암호해독, 암호화키와 같은 소프트웨어 수준의 공격 기술이 사용된다 [1]. 최근 국내외 여러 기관에서 칩의 물리적 공격에 따른 해킹에 대한 우려에 따라 소프트웨어 보안시스템의 문제점이 크게 제기 되고 있다. 칩에 가해지는 물리적 공격은 칩의 손상 발생 여부에 따라 구분해보면 아래와 같은 분류로 구분할 수 있다.

• • 1) 칩 내부 동작에 따른 전류 소모 패턴 등 부채널 (side-channel) 정보를 분석하여 내부 비밀 정보를 획득하는 부채널 공격 (side channel attack) 또는 비 침투형 공격 (non-invasive attack)
  • 2) 클럭, 전원 등을 이용하거나 레이저 등으로 동작 오류를 발생시키는 오류 주입 공격 (fault injection attack) 또는 준 침투형 공격 (semi-invasive attack)
  • 3) 칩의 decap 및 reverse engineering, microprobing 및 FIB (focused ion beam) 등을 이용하여 칩 내부 정보를 획득하는 침투 공격 (invasive attack)

 소프트웨어 보안시스템은 시스템의 하드웨어가 물리적 공격에 안전하다는 보장이 있을 때 보안이 확립 될 수 있으며, 이러한 소프트웨어 보안 시스템의 한계를 보완하기 위해 다양한 하드웨어 보안시스템이 제안되고 있다.

Ⅱ. 물리적 공격

1. 물리적 공격의 분류
물리적 공격이란 시스템 자체에 물리적인 손상을 가하거나 누설되는 정보들을 고가의 장비 및 기술로 분석하여 공격하는 방법으로 일부 공격의 경우 매우 효과적인 것으로 알려져 있다. 물리적 공격은 공격태도와 공격 시 손상의 발생 여부에 따라 분류할 수 있다. 공격 태도에 따라서는 수동형 공격과 능동형 공격으로 나눌 수 있고, 손상 발생 여부에 따라 침투 공격 (Invasive attack), 준 침투 공격 (Semi-invasive attack), 비 침투 공격 (Non-invasive attack)으로 나뉜다.

2. 침투 공격 (Invasive attack)
침투 공격은 칩 패키지에 직접 접근하여, IC(Integrated circuit)회로를 직접 관측 하거나 칩 내부 구조를 분석하는 공격 방식이다. 고가의 장비와 숙달된 전문 기술이 필요하기 때문에 매우 큰 비용이 필요하나, 각각의 소자나 Metal에 직접 접근하는 것이 가능한 만큼 매우 강력한 공격 수단이다. 이러한 침투 공격은 표 1와 같이 분류 할 수 있다. 그림 1 및 그림 2는 침투 공격의 대표적인 예시인 depackaging 및 microporbing, FIB 를 이용한 회로 변경 공격의 예이며, 이와 같은 공격 방식을 이용하여 보안과 관련된 연산을 수행하는 회로를 무력화할 경우 키 값이나 암호화를 통해 보호했어야 하는 비밀 정보들이 그대로 노출될 수 있다.

<표1> 침투 공격의 종류

3. 준 침투 공격 (Semi-Invasive attack)
칩에 직접적인 물리적 접근 없이, 레이저 광선 등을 이용하여 오류를 주입하고 그에 따른 오동작을 분석하는 공격 방식이다. 칩의 Packaging을 제거한 후 오류를 유발시키는 방법과 외부에서 전기적 스파이크를 일으켜 오류를 유발시키는 방법 등이 있다. 공격 방법에 따라 De-package가 필요한 경우도 존재하며, 이 경우 칩은 동작 가능한 상태로 패키지를 제거할 수 있어야 한다. 준 침투 공격을 통해 오류를 유발하는 방법은 표 2과 같다. 오류는 원상복구의 유무에 따라 Provisional / Transient fault, Destructive / Permanent fault로 크게 두 가지로 분류할 수 있다. Provisional / Transient fault는 일시적이라 원상복구가 가능하여 오류 요인 중단 시 칩은 일반 상태로 복구할 수 있다. 따라서 공격 후 시스템 동작이 가능하므로 동일 칩에 많은 실험이 가능하다. Destructive / Permanent fault는 영구적으로 원상복구가 불가능하여 칩의 전체 구조를 수정하는 방식의 공격이다. 위의 두 가지 오류의 종류는 표 2과 같다[5].

<표2> 준 침투 공격의 오류 유발 방법[5]

4. 비 침투 공격 (Non-invasive attack)
비 침투 공격은 부채널 공격(Side channel Attack)을 통해 데이터를 분석 및 획득하는 공격이다. 이러한 부채널 공격은 칩이 동작할 때 물리적 공격을 통해 누설되는 비밀 정보를 이용할 수 있다. 이 공격은 대부분 중요한 암호화 알고리즘을 파괴할 수 있는 강력한 공격이다 [1]. 부채널 공격은 부채널 정보에 따라 시차 공격, 전력 분석 공격, 전자기파 분석 공격 등으로 분류할 수 있다.
시차 공격은 각각의 입력 데이터에 따라 달라지는 연산의 시간이나 연산 회수를 관찰하여 분석하는 방법이다 [2, 6]. 전력 분석 공격은 공격 대상의 전력 소모를 통해 비밀 키를 추출하는 방식으로 부채널 공격 중 가장 위협적인 공격이다 전자기파 분석은 공격 대상 암호 장치로부터 방사되는 전자기파 신호를 분석하는 방법이다. 원거리에서 정보의 습득이 가능하며 다중 채널로 구성되고 있어서 전력 분석 공격 대응 장치에서도 전자기파 정보의 분석이 가능하다는 장점이 있다[2, 7]. 자세한 부채널 공격의 종류는 표 3과 같다.

<표3> 부채널 공격의 종류

Ⅲ. 물리적 공격에 대한 방어 기법

 침투 공격에 대한 대표적인 방어 기법은 내부 회로의 파악, microprobing, FIB 등을 을 어렵게 하기 위한 그림 3과 같은 top metal mesh 의 형태가 있다. 그러나 metal의 구조가 파악될 경우 FIB 등을 이용하여 구멍을 뚫거나 우회하는 것이 가능하다. 또한 reverse engineering 을 어렵게 하기 위하여 dummy 모듈을 삽입하는 방법이 있다. Dummy 모듈이나 dummy bus를 추가하여 칩의 분석을 어렵게 하고, 그 외에도 시차의 연산시간, 전력 소모 등의 변화를 통해 Leakage reduction에도 유용하다 [1]. 그러나 Dummy 만큼 면적과 비용이 증가하는 단점이 있다.

 또한 준 침투 공격 (오류 주입 공격) 의 방어를 위하여 오류를 발생시키기 위하여 비정상적인 환경(너무 높거나 낮은 전압 또는 온도 등)이 조성되거나 빛이나 레이저 등이 사용되므로 이를 감지할 수 있는 센서를 갖추거나 외부의 영향을 받지 않도록 내부에서 전압이나 Clock 주파수를 통제하도록 하는 방법이 사용된다. 센서 방어 기법은 온도, 자외선, 적외선, X선, 전리 방사선, Clock 주파수, 전압 등을 감지하는 센서를 내장한다. 특정 범위를 벗어날 경우 동작을 중지하는 등의 방어 기법을 수행한다. 그러나 FIB 등으로 센서 출력 신호를 bypass 하여 무력화시킬 수 있는 단점이 있다.

 부채널 공격의 방어 기법의 종류로는 Leakage reduction, Noise injection, Key update, Secure scan chain 등이 존재한다. 주로 부채널의 누설 신호의 신호대잡음비를 낮추어 분석을 어렵게 하는 방법이 주로 사용된다. Leakage reduction 방어 기법은 부채널에 흐르는 전류와 비밀정보 사이의 의존성을 감소시키는방법으로, Dynamic, Differential logic, Asynchronous logic, Current-mode logic, DRP(Dual-rail precharge logic style) 등의 설계 기법이 적용된다. Noise injection 방어 기법은 SNR을 측정하여 부채널에 인공적인 Noise를 주입하여 부채널 정보를 감소시키는 방법이다. Key update 방어 기법은 비밀 키를 주기적으로 update 하는 방식이며, secure scan chains 방어기법은 내부 민감한 레지스터에 접근을 차단한다.

Ⅵ. 맺음말

 보안 칩에 대한 물리적 공격 기법과, 이에 대한 방어 기법은 마치 창과 방패처럼 지속적으로 발전하고 있다. 전 세계적으로 보안 칩의 물리적 공격 및 방어 기법에 대한 관심이 높아지고 있으며, 향후 보안 칩의 물리적 공격에 대한 대응 기술의 중요성은 점차 증대될 것으로 예상된다.

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  고 형 호 교수

  • 2003년 2월 서울대학교 전기공학부 공학사
    2008년 8월 서울대학교 전기공학부 공학박사
    2008년 11월 ~ 2010년 8월 삼성전자 반도체 사업부 책임연구원
    2010년 9월 ~ 현재 충남대학교 전자공학과 부교수
  • 관심분야
    아날로그 집적회로, 회로 보안 기술, 센서 인터페이스, 생체신호 계측회로, 데이터 컨버터