A Novel Authentication Methodology to Detect Counterfeit PCB using PCBTrace-based Ring Oscillator

https://www.researchgate.net/publication/349286845_A_Novel_Authentication_Methodology_to_Detect_Counterfeit_PCB_using_PCB_Trace-based_Ring_Oscillator

 

PCB 배선 기반 링 오실레이터를 이용한 위조 PCB 탐지 목적의 새로운 인증 방법론 (A Novel Authentication Methodology to Detect Counterfeit PCB using PCB Trace-based Ring Oscillator)

1. 연구 배경 및 목적

현대 반도체 공급망에서 위조 집적 회로(IC)와 인쇄 회로 기판(PCB)의 유통은 전자 시스템의 보안과 신뢰성에 심각한 위협이 되고 있음. 기존의 위조 방지 기술들은 IC와 PCB 기판을 개별적으로 검사하거나, 고가의 외부 측정 장비가 필요하다는 한계가 있음.본 논문은 외부 장비 없이도 PCB 자체의 물리적 특성을 활용하여 진위 여부를 원격으로 판별할 수 있는 ROPA(Ring Oscillator-based PCB Authentication) 방법론을 제안함.

 

2. 핵심 제안 방법론: PTRO (PCB Trace-based Ring Oscillator)

이 연구의 핵심은 PCB의 금속 배선(Trace)을 링 오실레이터 회로의 지연 소자(Delay Element)로 활용하는 것.

• 물리적 복제 방지 기능(PUF) 활용: 제조 공정에서 발생하는 미세한 오차로 인해 PCB 배선의 길이, 폭, 두께는 보드마다 미세하게 다릅니다. 이는 고유한 전기적 임피던스와 지연 시간을 발생시킴.
• PTRO와 ORO의 결합: 칩 내부에 위치한 링 오실레이터(ORO, On-chip RO)와 PCB 배선을 경로에 포함시킨 링 오실레이터(PTRO)를 동시에 사용.
• 부하 모드 전환(Load Mode Switching): PCB를 다양한 부하 상태로 전환하며 신호를 측정함으로써, 배선 공정 변이와 전체 임피던스 변화를 시그니처(Signature)에 반영함.

3. 주요 특장점 (Key Advantages)

• 동시 인증: IC와 PCB의 진위 여부를 동시에 독립적으로 검증할 수 있음.
• 원격 인증 가능: 외부 측정 장비(오실로스코프 등)가 필요하지 않고 디지털 회로만으로 구성되므로, 시스템이 현장에 배치된 상태에서도 원격으로 인증을 수행할 수 있음.
• 낮은 오버헤드: 벤치마크 테스트 결과, 평균적으로 면적 점유율 0.301%, 전력 소모 0.355% 수준의 매우 낮은 자원을 사용함.
• 다양한 위조 유형 탐지: 과잉 생산(Overproduced), 재활용(Recycled), 복제(Cloned), 변조(Tampered)된 PCB를 효과적으로 구분함.

4. 실험 결과 및 성능 분석

FPGA 개발 보드를 활용한 실험을 통해 제안된 방법론의 신뢰성을 검증함.

• 탐지 정확도: 복제, 재활용, 과잉 생산된 PCB에 대해서는 100%의 탐지 신뢰도를 보였으며, 미세하게 수정된 변조 PCB(Tampered PCB)에 대해서도 96.7%의 높은 탐지율을 기록함.
• 환경 적응성: 온도 변화나 전압 변동과 같은 외부 환경 요인에서도 안정적인 인증 성능을 유지함을 확인함.

이 논문은 하드웨어 보안 분야에서 소프트웨어나 별도의 보안 칩에 의존하지 않고, PCB 배선 자체를 일종의 지문(Fingerprint)으로 활용했다는 점에서 독창성이 높다고 봄. 특히 하드웨어 공급망 보안(Supply Chain Security)이 중요해지는 시점에서, 설계자가 제조사나 유통 과정을 완전히 신뢰할 수 없는 상황(Untrusted Foundry/Distributor)을 가정하고 이에 대한 실질적인 해결책을 제시했다는 점이 인상적입니다. 임베디드 시스템 설계 시 보안 레이어를 하드웨어 수준에서 강화하고자 하는 엔지니어들에게 유용한 참고 자료가 될 것 같음.