기존 암호 대체 기술 확보, 동형암호 연산 속도 대폭 높여
[보안뉴스 박미영 기자] 국내 연구진이 기존 암호방식을 대체할 수 있는 기술을 확보했다. 데이터를 보낼 때 암호화해서 보내고 데이터를 사용할 때 다시 암호를 풀어서 계산하던 것에서 암호를 풀 필요 없이 바로 계산하는 기술이다. 즉, 재식별 절차 없이도 암호데이터 그대로 안전하게 데이터를 주고받고 고속으로 계산할 수 있는 전용 처리 장치 기술 개발에 성공했다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 데이터를 암호화한 상태로 사생활을 보장하면서 머신러닝 등에 적용할 수 있고 양자컴퓨터 해킹도 견딜 수 있는 성능을 지닌 완전동형암호(完全同形暗號) 연산 가속기 칩을 개발했다고 밝혔다.
연구진은 본 기술이 상용화되면 클라우드 데이터 센터 서버에 장착될 수 있고 개인정보 보장이 가능한 인공지능 반도체(SoC) 등에도 활용할 수 있을 것으로 보고 있다.
본 기술을 개발하게 됨으로써 향후 동형암호 가속기 전용 칩 및 소프트웨어 개발 플랫폼 관련 연구에도 탄력이 붙을 전망이다. 이를 통해 국방, 공공, 의료, 금융, 산업 등 보안과 통계 및 인공지능 응용이 동시에 요구되는 곳에서 데이터를 암호화된 상태로 다양한 융합 서비스에 직접 적용이 가능하게 될 것으로 보인다.
완전동형암호 기술은 암호화된 데이터를 추가로 복호화(재식별화) 등 과정 없이 그대로 처리할 수 있다는 장점이 있다. 이에 따라 차세대 암호 기술로 불리면서 양자 컴퓨팅에서 암호가 깨지지 않는 내성 암호의 성질도 있어 안전성이 크게 보장된다.
기존 암호 기술은 암호화된 데이터를 바로 연산할 수 없었다. 비밀 키를 사용, 데이터를 복호화해 원래의 정보로 바꾼 뒤 다시 암호화해서 전달해야만 했다. 이 경우 비밀키는 물론 원래의 정보가 노출될 수밖에 없는 한계가 있었다. 따라서 민감 정보를 담고 있는 데이터를 연산 처리하는 용도로는 적합하지 않았다.
ETRI가 개발한 완전동형암호 하드웨어 연산 가속기 칩 핵심 기술은 정보를 암호화하면 암호문이 수천비트(bit)의 계수를 갖는 수만차수 이상의 다항식들로 표현되는 동형암호의 고유한 특성에 적합한 전용 하드웨어 연산 처리 장치다.
따라서 데이터가 암호화된 상태, 즉 고차 다항식 간에 덧셈·뺄셈·곱셈·나눗셈 등 연산을 빠르게 처리한다. 암호화된 데이터를 바로 연산하고 그 결괏값만 암호를 풀어서 데이터를 볼 수 있게 되는 원리다. 아무도 원래의 데이터를 볼 수 없어서 데이터 프라이버시가 확실히 보장된다.
데이터를 암호문으로 만들면 수천비트 정도로 큰 크기의 데이터를 수만개 갖는 다항식으로 바뀌게 돼 계산량이 기하급수적으로 증가한다. 따라서 64비트 수준의 데이터를 처리하는 중앙처리장치(CPU)나 그래픽처리장치(GPU)로 계산하기에는 구조도 적합하지 않고 시간도 많이 소요돼 동형암호를 활용하는 데 어려웠다. 그러나 연구진이 개발한 칩 기술은 그동안의 문제점을 해결해서 동형암호를 활용할 수 있도록 동형암호 특성을 반영한 동형처리유닛(HPU)의 핵심기술을 개발한 셈이다.
연구진은 이번 개발한 칩 핵심기술을 바탕으로 향후 동형암호 전용 시스템온칩(SoC)을 구현해서 실용화한다는 계획이다. 아울러 다양한 동형암호 알고리즘의 호환성을 제공하면서도 원하는 암호 강도를 조절할 수 있는 등의 조건을 만족시키기 위한 연구를 계속 이어갈 계획이다.
또한, 암호문의 산술연산 워드의 크기와 다항식의 차수가 달라도 간단한 설정을 통해 하나의 칩에서 유연하게 고속으로 연산할 수 있고 다양한 알고리즘 호환성과 가변 워드·차수를 지원하는 PIM 구조의 HPU 칩도 구현하기로 했다.
향후 동형암호 SoC를 탑재해 동형암호가 적용된 동영상을 동형암호가 적용된 인공지능 모델로 실시간 수준으로 추론할 수 있는 완전동형암호 하드웨어 가속기로 확장한 플랫폼까지 개발할 예정이다.
ETRI는 향후 본 기술이 개발되면 △완전동형암호 HW 가속기 칩셋 △프라이버시 보장 데이터 서버에 내장되는 가속기 △동형암호 라이브러리·인공지능 등에 활용할 응용 SW 등이 주요 성과가 될 것이라고 밝혔다.
연구진은 ETRI가 원천기술 ‘동형암호의 HW고속처리 요소기술’과 ‘암호 데이터베이스 질의응답 기술’ 등을 보유하고 있어서 본 기술을 개발할 수 있었다고 설명했다.
ETRI 박성천 보안SoC융합연구실장은 “유망 기술로 손꼽히던 동형암호 고속연산 칩 핵심 기술을 연구해 동형암호의 실용화를 앞당길 수 있는 계기를 마련한 데 큰 의미가 있다. 본 기술로 세계적인 수준의 성능을 개발하고 사업화해 우리나라가 신 보안 기술을 선도하는 데 더욱 노력하겠다”고 말했다.
연구진은 향후 기술 개발을 통해 클라우드 컴퓨팅 서비스 회사나 데이터베이스 관리시스템(DBMS) 기업, 팹리스 기업, 서버 탑재 동형암호 가속기 개발사, 마이데이터 프라이버시 보장 서비스 기업, 공공 및 국방 등 민감 데이터 활용 사업화 기업 등에 기술이전할 계획이다.
본 기술은 과학기술정보통신부 ‘HW 지원 프라이버시 보장 암호데이터 고속처리 기술 개발’ 과제로 수행되고 있다. 네이버주식회사, 네오와인, 티맥스티베로, 성균관대, 포항공대, 인하대가 공동연구 중이다.
ETRI는 이번 연구를 통해 칩 핵심 기술 검증용 MPW 시제품, SW 14건, 국내외 특허 21건 출원, 논문 8편 등 성과를 냈다.아울러 ETRI 수도권연구센터는 가속기 칩 개발에 필요한 보안 분야 주문형반도체(ASIC), 시스템반도체(SoC), 지능형 디바이스 개발 등의 기술 개발 및 기반 역량 또한 보유하고 있다.
[박미영 기자(mypark@boannews.com)]
[보안뉴스 박미영 기자] 국내 연구진이 기존 암호방식을 대체할 수 있는 기술을 확보했다. 데이터를 보낼 때 암호화해서 보내고 데이터를 사용할 때 다시 암호를 풀어서 계산하던 것에서 암호를 풀 필요 없이 바로 계산하는 기술이다. 즉, 재식별 절차 없이도 암호데이터 그대로 안전하게 데이터를 주고받고 고속으로 계산할 수 있는 전용 처리 장치 기술 개발에 성공했다.
[사진=ETRI]
한국전자통신연구원(ETRI)은 데이터를 암호화한 상태로 사생활을 보장하면서 머신러닝 등에 적용할 수 있고 양자컴퓨터 해킹도 견딜 수 있는 성능을 지닌 완전동형암호(完全同形暗號) 연산 가속기 칩을 개발했다고 밝혔다.
연구진은 본 기술이 상용화되면 클라우드 데이터 센터 서버에 장착될 수 있고 개인정보 보장이 가능한 인공지능 반도체(SoC) 등에도 활용할 수 있을 것으로 보고 있다.
본 기술을 개발하게 됨으로써 향후 동형암호 가속기 전용 칩 및 소프트웨어 개발 플랫폼 관련 연구에도 탄력이 붙을 전망이다. 이를 통해 국방, 공공, 의료, 금융, 산업 등 보안과 통계 및 인공지능 응용이 동시에 요구되는 곳에서 데이터를 암호화된 상태로 다양한 융합 서비스에 직접 적용이 가능하게 될 것으로 보인다.
완전동형암호 기술은 암호화된 데이터를 추가로 복호화(재식별화) 등 과정 없이 그대로 처리할 수 있다는 장점이 있다. 이에 따라 차세대 암호 기술로 불리면서 양자 컴퓨팅에서 암호가 깨지지 않는 내성 암호의 성질도 있어 안전성이 크게 보장된다.
기존 암호 기술은 암호화된 데이터를 바로 연산할 수 없었다. 비밀 키를 사용, 데이터를 복호화해 원래의 정보로 바꾼 뒤 다시 암호화해서 전달해야만 했다. 이 경우 비밀키는 물론 원래의 정보가 노출될 수밖에 없는 한계가 있었다. 따라서 민감 정보를 담고 있는 데이터를 연산 처리하는 용도로는 적합하지 않았다.
ETRI가 개발한 완전동형암호 하드웨어 연산 가속기 칩 핵심 기술은 정보를 암호화하면 암호문이 수천비트(bit)의 계수를 갖는 수만차수 이상의 다항식들로 표현되는 동형암호의 고유한 특성에 적합한 전용 하드웨어 연산 처리 장치다.
따라서 데이터가 암호화된 상태, 즉 고차 다항식 간에 덧셈·뺄셈·곱셈·나눗셈 등 연산을 빠르게 처리한다. 암호화된 데이터를 바로 연산하고 그 결괏값만 암호를 풀어서 데이터를 볼 수 있게 되는 원리다. 아무도 원래의 데이터를 볼 수 없어서 데이터 프라이버시가 확실히 보장된다.
데이터를 암호문으로 만들면 수천비트 정도로 큰 크기의 데이터를 수만개 갖는 다항식으로 바뀌게 돼 계산량이 기하급수적으로 증가한다. 따라서 64비트 수준의 데이터를 처리하는 중앙처리장치(CPU)나 그래픽처리장치(GPU)로 계산하기에는 구조도 적합하지 않고 시간도 많이 소요돼 동형암호를 활용하는 데 어려웠다. 그러나 연구진이 개발한 칩 기술은 그동안의 문제점을 해결해서 동형암호를 활용할 수 있도록 동형암호 특성을 반영한 동형처리유닛(HPU)의 핵심기술을 개발한 셈이다.
연구진은 이번 개발한 칩 핵심기술을 바탕으로 향후 동형암호 전용 시스템온칩(SoC)을 구현해서 실용화한다는 계획이다. 아울러 다양한 동형암호 알고리즘의 호환성을 제공하면서도 원하는 암호 강도를 조절할 수 있는 등의 조건을 만족시키기 위한 연구를 계속 이어갈 계획이다.
또한, 암호문의 산술연산 워드의 크기와 다항식의 차수가 달라도 간단한 설정을 통해 하나의 칩에서 유연하게 고속으로 연산할 수 있고 다양한 알고리즘 호환성과 가변 워드·차수를 지원하는 PIM 구조의 HPU 칩도 구현하기로 했다.
향후 동형암호 SoC를 탑재해 동형암호가 적용된 동영상을 동형암호가 적용된 인공지능 모델로 실시간 수준으로 추론할 수 있는 완전동형암호 하드웨어 가속기로 확장한 플랫폼까지 개발할 예정이다.
ETRI는 향후 본 기술이 개발되면 △완전동형암호 HW 가속기 칩셋 △프라이버시 보장 데이터 서버에 내장되는 가속기 △동형암호 라이브러리·인공지능 등에 활용할 응용 SW 등이 주요 성과가 될 것이라고 밝혔다.
연구진은 ETRI가 원천기술 ‘동형암호의 HW고속처리 요소기술’과 ‘암호 데이터베이스 질의응답 기술’ 등을 보유하고 있어서 본 기술을 개발할 수 있었다고 설명했다.
ETRI 박성천 보안SoC융합연구실장은 “유망 기술로 손꼽히던 동형암호 고속연산 칩 핵심 기술을 연구해 동형암호의 실용화를 앞당길 수 있는 계기를 마련한 데 큰 의미가 있다. 본 기술로 세계적인 수준의 성능을 개발하고 사업화해 우리나라가 신 보안 기술을 선도하는 데 더욱 노력하겠다”고 말했다.
연구진은 향후 기술 개발을 통해 클라우드 컴퓨팅 서비스 회사나 데이터베이스 관리시스템(DBMS) 기업, 팹리스 기업, 서버 탑재 동형암호 가속기 개발사, 마이데이터 프라이버시 보장 서비스 기업, 공공 및 국방 등 민감 데이터 활용 사업화 기업 등에 기술이전할 계획이다.
본 기술은 과학기술정보통신부 ‘HW 지원 프라이버시 보장 암호데이터 고속처리 기술 개발’ 과제로 수행되고 있다. 네이버주식회사, 네오와인, 티맥스티베로, 성균관대, 포항공대, 인하대가 공동연구 중이다.
ETRI는 이번 연구를 통해 칩 핵심 기술 검증용 MPW 시제품, SW 14건, 국내외 특허 21건 출원, 논문 8편 등 성과를 냈다.아울러 ETRI 수도권연구센터는 가속기 칩 개발에 필요한 보안 분야 주문형반도체(ASIC), 시스템반도체(SoC), 지능형 디바이스 개발 등의 기술 개발 및 기반 역량 또한 보유하고 있다.
[박미영 기자(mypark@boannews.com)]
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