Design Parameter Optimization of FPGA-based Ring Oscillator TRNG and Its Application to P-bit Inverse Computation System

본 논문에서는 FPGA(Field-Programmable Gate Array) 기반 링 오실레이터(Ring Oscillator, RO) 진난수 생성기(True Random Number Generator, TRNG)의 주요 설계 파라미터인 인버터 수( N_INV), XOR 게이트의 입력으로 들어가는 RO의 수 ( N_RO ), 샘플링 클럭 주파수(f_s )가 난수 품질에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고 최적 설계 지점을 도출하였다. 실험 결과, N_RO 가 엔트로피를 결정하는 지배적 변수임을 확인하였다. Xilinx Artix-7 FPGA를 통해 RO-TRNG를 구현하였으며, 별도의 후처리 없이 NIST SP 800-22 난수성 테스트의 모든 항목 통과 및 최소 엔트로피 0.929381을 달성하였다. 나아가 최적화된 RO-TRNG를 P-bit 난수원으로 활용하여 이징 모델 기반 4×4 곱셈기 네트워크에서 소인수 분해 역연산을 성공적으로 수행함으로써, 제안한 설계가 보안 및 확률적 컴퓨팅 응용에 효과적으로 활용될 수 있음을 입증하였다.