可重构格基后量子密码算法核心运算架构设计技术研究

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格基后量子公钥密码算法因其可证明求解格中难题的安全性和实际应用的高效性,成为目前国际标准组织和国家安全部门所信赖的关键密码算法。目前以美国国家标准技术研究所的征集标准为规范,不同候选算法中的核心运算都包括消耗大量时间的多项式乘法,如何以硬件方式快速实现不同算法中的多项式乘法具有重要研究价值和现实意义。本文针对不同候选格基后量子密码算法的核心运算——多项式乘法,开展高速可重构多项式乘法架构设计技术的研究。主要工作如下:针对基于不同困难问题格基公钥密码算法中的多项式乘法参数各异且实现架构不统一的现状,本文提出了一种基于Pt NTT算法的可重构运算架构。首先进行多项式乘法运算特征分析,综合了多项式参数(项数、模数及模多项式)对可重构架构的影响。其次,针对不同项数和模多项式设计了4×4串并行可转换型运算单元架构,可满足实现不同位宽基k-数论变换的可扩展设计。其中具体针对不同模数设计了可扩展实现16位模乘和32位乘法的可重构单元。同时,综合上述运算网络特征提出了Crossbar与固定连接结合的互连控制机制,提供了更加灵活的互连结构以满足未来更多可能出现的算法。针对多项式乘法硬件实现消耗大量时间的问题,在可重构架构的基础上,提出了一种由Karatsuba算法优化的2n次单位根预处理型数论变换运算架构。该算法利用小位宽数论变换的并行处理与复杂度低的计算形式来减少运算时间。本文基于最小计算复杂度确定了KNTT实现算法,并设计了与该算法相匹配的整体运算架构和统一化的蝶形运算单元;在此基础上,结合存储粒度、流水深度对并行度选择的影响,采用单位面积实现性能与性能增幅的评价体系,得到十六路并行架构方案。针对在高速可重构运算过程中会交互大量数据造成复杂地址转换的问题,本文提出一种满足基k-数论变换的无预置型多Bank存储数据分配机制。基于经典数论变换算法中系数存在翻转预置变换的约束,提出了一种满足多种基k-2n/n次单位根数论变换算法、精简系数地址转换的无预置型数据变换方式;在数据需求分析过程中,通过构建以系数地址生成、Bank划分以及实际与虚拟地址对应逻辑为主体的分配机制,设计了一种满足基k-数论变换的多Bank存储结构。实验结果表明,本文支持实现Kyber、Saber、Dilithium与NTRU四种类型算法中的多项式乘法,与其余可重构架构相比,可采用统一架构实现四种算法中的多项式乘法,性能可提高1.91倍;与其余单一算法设计相比性能提高6%至15.81倍。在65nm的CMOS工艺下,0.449μs完成一组项数为256,模数为3329的多项式乘法运算,消耗214个时钟,最高工作频率可达到476MHz,面积时间积为206.50(kGE·μs)。
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