密碼，無(wú)疑在系統(tǒng)安全和網(wǎng)絡(luò)安全中扮演著至關(guān)重要的角色。

但是，隨著具有強(qiáng)大密碼破解能力的量子計(jì)算機(jī)不斷取得實(shí)質(zhì)性研究進(jìn)展，目前廣泛使用的RSA、ECC等公鑰密碼算法逐漸變得不再安全。

這對(duì)于現(xiàn)有的密碼體系而言可以說(shuō)是毀滅性的威脅。

為應(yīng)對(duì)該類挑戰(zhàn)，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界早已開始著手研究能抵御量子計(jì)算攻擊的后量子密碼算法。

但問(wèn)題在于，后量子密碼算法的運(yùn)算量通常非常巨大，想要真正應(yīng)用和推廣，就對(duì)專用后量子密碼芯片提出了高要求：

必須要依靠高效的硬件架構(gòu)，從而能以較低資源開銷獲得滿足應(yīng)用需求的執(zhí)行速度。

現(xiàn)在，針對(duì)這一問(wèn)題，清華大學(xué)魏少軍、劉雷波教授團(tuán)隊(duì)提出了一種低計(jì)算復(fù)雜度數(shù)論轉(zhuǎn)換與逆轉(zhuǎn)換方法，以及一種高效的后量子密碼硬件架構(gòu)。

不僅能降低一類基于格的后量子密碼算法的計(jì)算復(fù)雜度，還能在提高算法執(zhí)行速度的同時(shí)減少了硬件資源開銷。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與最先進(jìn)的方法相比，該設(shè)計(jì)在計(jì)算速度上快了2.5倍以上，同時(shí)面積延時(shí)積（ATP）減小了4.9倍。

這一成果剛剛登上了第22屆密碼硬件與嵌入式系統(tǒng)會(huì)議（CHES）。這是國(guó)際密碼芯片和物理安全方向最重要的頂會(huì)之一。

后量子密碼硬件加速技術(shù)

具體而言，這是一種應(yīng)用于格密碼的低計(jì)算復(fù)雜度數(shù)論轉(zhuǎn)換方法及其硬件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，可以同時(shí)優(yōu)化算法執(zhí)行時(shí)間和硬件資源開銷。

如下圖所示，已有面向格密碼的數(shù)論轉(zhuǎn)換架構(gòu)效率不高的癥結(jié)在于其正變換和逆變換分別需要預(yù)處理與后處理，而預(yù)處理與后處理的計(jì)算量巨大，正是制約處理速度提升的瓶頸。

在清華的這項(xiàng)研究中，研究人員將預(yù)處理部分融合進(jìn)時(shí)域分解快速傅里葉變換中，將后處理部分融合進(jìn)頻域分解快速傅里葉變換中，徹底去除了這兩部分運(yùn)算量。

消除預(yù)處理和后處理后的低計(jì)算復(fù)雜度數(shù)論轉(zhuǎn)換和逆數(shù)論轉(zhuǎn)換，就像這樣：

相比經(jīng)典快速傅里葉變換，這個(gè)方法沒(méi)有額外時(shí)間開銷，硬件代價(jià)也非常小。

同時(shí)，研究人員還提出了一種能支持兩種蝶形運(yùn)算的緊湊型運(yùn)算單元架構(gòu)，針對(duì)NewHope算法的特定模數(shù)提出了一種無(wú)需執(zhí)行乘法操作的恒定時(shí)間模約簡(jiǎn)方法，并據(jù)此設(shè)計(jì)了低復(fù)雜度數(shù)論轉(zhuǎn)換硬件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。

在同規(guī)模數(shù)論轉(zhuǎn)換的硬件架構(gòu)中達(dá)到執(zhí)行速度最快，且減小面積延時(shí)積近3倍。

此外，這項(xiàng)研究還使用了雙倍帶寬匹配、時(shí)序隱藏等架構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，進(jìn)一步減小了執(zhí)行NewHope算法的時(shí)鐘周期數(shù)，設(shè)計(jì)了處理時(shí)間恒定的NewHope硬件架構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其計(jì)算速度相比已有最好結(jié)果快至少2.5倍，同時(shí)面積延時(shí)積減小了4.9倍。

關(guān)于作者

論文一作張能，目前正在清華大學(xué)微電子所攻讀博士學(xué)位。

論文通訊作者是清華微電子所長(zhǎng)聘教授劉雷波，主要合作者還有楊博翰、陳晨、尹首一等。

其實(shí)，在架構(gòu)和芯片領(lǐng)域，清華魏少軍、劉雷波教授的這支團(tuán)隊(duì)早已打響了名號(hào)。

過(guò)去10余年，魏少軍、劉雷波教授團(tuán)隊(duì)在硬件安全與密碼芯片領(lǐng)域取得了多項(xiàng)技術(shù)突破，關(guān)鍵技術(shù)在一系列國(guó)家重大工程中得到批量應(yīng)用，曾獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、教育部技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、電子學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國(guó)發(fā)明專利金獎(jiǎng)、世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)15項(xiàng)世界互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)先科技成果等多項(xiàng)重要科技獎(jiǎng)勵(lì)。

此前，該團(tuán)隊(duì)的《應(yīng)用于事務(wù)內(nèi)存的樂(lè)觀并發(fā)控制算法的FPGA加速》還曾獲MICRO最佳論文提名。這也是MICRO 52年歷史上第二次有亞洲高校及機(jī)構(gòu)獲此殊榮。