【摘 要】
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轻量级分组密码算法是保证资源受限设备安全性的重要基石,目前实现方式主要有基于专用集成电路的硬件实现和基于通用处理器的软件实现,前者难以满足不同应用对加密算法灵活性的需求,后者难以满足不同应用对加密算法高性能实现的需求。可重构计算架构兼具高性能和灵活性大的优点,为解决上述问题提供了科学有效的解决方案。当前鲜有面向轻量级分组密码的可重构架构,而面向传统的分组密码的可重构架构虽然也能实现轻量级分组密码,
【基金项目】
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国家重点研发计划重点专项——面向信息安全的动态可重构系统芯片关键技术研发（2018YFB2202100）子课题； 黑龙江省自然科学基金优秀青年项目——基于可重构计算的芯片设计及应用研究（YQ2019F010）；
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轻量级分组密码算法是保证资源受限设备安全性的重要基石,目前实现方式主要有基于专用集成电路的硬件实现和基于通用处理器的软件实现,前者难以满足不同应用对加密算法灵活性的需求,后者难以满足不同应用对加密算法高性能实现的需求。可重构计算架构兼具高性能和灵活性大的优点,为解决上述问题提供了科学有效的解决方案。当前鲜有面向轻量级分组密码的可重构架构,而面向传统的分组密码的可重构架构虽然也能实现轻量级分组密码,但实现性能并不理想,针对该问题本文提出了一种面向轻量级分组密码的高性能可重构架构。本文首先通过分析42种主流的轻量级分组密码算法,进而提取出算法的算子特征;然后,分析所提取的模式特征结果和组合特征结果,进而对可重构处理单元进行设计;接下来,根据轻量级分组密码算法的映射规律,对可重构处理单元阵列进行设计,进而进行架构的整体设计。下一步,通过将PRESENT64/80算法（基于SP网络结构的典型轻量级分组密码算法）、SIMON64/128算法（基于Feistel网络结构的典型轻量级分组密码算法）和SPECK64/128算法（基于ARX结构的典型轻量级分组密码算法）映射到本文所设计的可重构架构上,得到可重构单元利用率,对可重构单元利用率与其他可重构密码架构进行比较分析。最后,对PRESENT64/80算法、SIMON64/128算法和SPECK64/128算法进行功能仿真,功能仿真通过之后进行逻辑综合,得到面积效率,对面积效率与其他可重构密码架构进行比较分析。本文设计的可重构密码架构采用TSMC 55 nm CMOS工艺实现,工作频率最高可达429 MHz,总面积为1.23百万等效门（MGE）,对于不同密码算法,面积效率最高可达22.33 Gbit·s-1·MGE-1。与其他可实现轻量级分组密码的可重构架构相比,可重构单元利用率提高8.34%～18.94%,面积效率提高11.04%～7103.00%。
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