듀얼 NIST 표준을 이용한 Zener 애벌랜치 노이즈 TRNG의 이득 의존적 엔트로피 특성 분석: ICS 배포를 위한 저가형 하드웨어

Zener 애벌랜치 노이즈(Zener avalanche noise)를 기반으로 하는 진정한 난수 생성기(TRNG)는 산업 제어 시스템 및 IoT 엣지 장치를 위한 저가 엔트로피 소스를 제공하지만, 현재 NIST 표준 하에서는 증폭기 이득(amplifier gain), 커플링 커패시턴스(coupling capacitance), 그리고 엔트로피 품질 간의 관계가 여전히 특성화되지 않은 상태이다. 본 논문은 op-amp 기반의 Zener 애벌랜치 노이즈 생성기에 대해 5가지 이득 구성과 2가지 커플링 커패시터 값을 사용하여 종합적인 엔트로피 평가를 제시하며, 이는 NIST SP 800-22 통계 테스트 스위트와 설정당 14억 4천만 개의 원시 비트를 사용한 SP~800-90B 엔트로피 소스 평가를 통해 수행되었다. 우리는 모든 이득 설정에서 일관되게 나타나는, 비교기 포화-복구 역학(comparator saturation-recovery dynamics)에 기인하는 3상 자기 상관 구조를 식별했다. Zener 다이오드를 동일한 바이어스 지점에서 안정 전압원(stable voltage source)으로 대체하는 직류 대체 실험은 스위칭 활동을 약 97% 감소시키며, 이는 증폭기 자체 여기(self-excitation)가 아닌 Zener 애벌랜치 노이즈가 필수적인 엔트로피 소스임을 확인시켜 준다. 또한 커플링 커패시터는 이 소스 메커니즘과는 독립적으로 비교기 오버드라이브와 엔트로피 품질을 제어하는 것으로 나타났으며, 더 작은 커패시턴스가 엔트로피, 처리량(throughput), 바이어스를 개선한다. 종합 결과는 5달러 미만의 부품 명세서(bill-of-materials, BOM) 비용으로 완벽한 통계 테스트 점수, NIST 준수 최소 엔트로피(min-entropy), 그리고 최대 엔트로피 처리량을 달성하는 최적의 이득 구성을 식별했으며, 이는 산업 및 임베디드 배포 환경에서 저가형 엔트로피 소스를 위한 실용적인 설계 지침을 제공한다.