后量子密碼芯片
作為信息化時代各領(lǐng)域發(fā)展的重要基礎(chǔ)與保障,信息安全是一個不容忽視的國家安全戰(zhàn)略。當(dāng)今信息安全領(lǐng)域廣泛使用的公鑰密碼體制主要都是基于經(jīng)典計(jì)算機(jī)“難以求解”的數(shù)學(xué)問題所設(shè)計(jì)構(gòu)造的。近些年來,隨著量子計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)公鑰密碼體制不再安全。一方面,Shor算法、Grover搜索算法、量子傅里葉變換等算法相繼被提出,從理論上證明這些算法在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行可以顯著縮短傳統(tǒng)公鑰密碼體制所依賴數(shù)學(xué)問題的求解時間。另一方面,實(shí)際可行的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展,2019年,Google宣布制造出53量子比特的量子處理器“懸鈴木”,在絕對零度條件下可以在200秒完成超級計(jì)算機(jī)1萬年的計(jì)算任務(wù)。在即將到來的“后量子時代”,我們需要更安全的密碼體制來保護(hù)隱私,也就是后量子密碼(Post-QuantumCryptography,PQC)。未來10年商用量子計(jì)算機(jī)將面世,在量子計(jì)算機(jī)面前,構(gòu)造傳統(tǒng)公鑰密碼體制所基于的數(shù)學(xué)難題將毫無安全性可言,進(jìn)而依賴密碼體制而構(gòu)建的信息安全系統(tǒng)及各種應(yīng)用將面臨著嚴(yán)峻的安全問題,甚至存在被完全破解的潛在威脅,亟待研究抵御量子攻擊的密碼體制及其芯片實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
2022年美國政府正式簽署安全法案,首次將后量子密碼納入美國國家安全備忘錄,同時還提出《量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)安全準(zhǔn)備度法案》,旨在指導(dǎo)推動信息安全系統(tǒng)向后量子密碼學(xué)過渡。2022年9月7日,美國國家安全局(NSA)發(fā)布了《商業(yè)國家安全算法套件2.0》,其中將入選第三輪抗量子密碼標(biāo)準(zhǔn)化選擇的CRYSTALS-KYBER(以下簡稱Kyber)算法列為國家安全系統(tǒng)未來過渡遷移的必備算法。我國也在后量子密碼領(lǐng)域積極跟進(jìn),參與國際競爭,于2020年發(fā)布國內(nèi)首份量子安全白皮書,廣泛布局后量子密碼安全技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)生態(tài)。目前后量子密碼算法的研究正在逐漸走向成熟與標(biāo)準(zhǔn)化,未來將有數(shù)十億新舊設(shè)備完成從傳統(tǒng)公鑰密碼體制向后量子密碼算法的遷移過程。在充分考慮安全性能、算法性能、便利性和合規(guī)性的前提下,研制出符合國際標(biāo)準(zhǔn)且具有國際競爭力的后量子密碼SoC芯片并應(yīng)用,對于我國加快搶占后量子密碼國際領(lǐng)先地位,保障量子時代下的信息安全具有重要意義。
圖1 后量子密碼在未來信息安全領(lǐng)域的應(yīng)用
本成果提出一種應(yīng)用在云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心加密中的高性能隨機(jī)數(shù)生成哈希核心算子,實(shí)現(xiàn)了具有靈活性和高吞吐量的可配置Keccak核心。該核心可配置為支持多個采樣策略,通過高吞吐量隨機(jī)數(shù)擴(kuò)展發(fā)生器新型結(jié)構(gòu)達(dá)到11.7Gbps的吞吐率,性能表現(xiàn)為目前世界最高水平。
圖2 高性能后量子密碼哈希核心算子
在國際上首次提出了具有側(cè)信道SPA攻擊防御機(jī)制的可配置BS-CDT高斯采樣器。該設(shè)計(jì)基于CDT反演高斯采樣算法,通過真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和隨機(jī)化功耗特性的電路結(jié)構(gòu),采取隱藏相關(guān)數(shù)據(jù)的防御機(jī)制,高效獲取安全性更好的均勻分布隨機(jī)數(shù),并可以有效抵御時間攻擊和潛在的功耗分析攻擊,顯著提高安全性。電路采樣精度可達(dá)112bit,新型多級快速查找表結(jié)構(gòu)極大縮短了概率函數(shù)分布表搜索時間,性能相較于同類設(shè)計(jì)提升近18倍。解決了高精度需求與采樣速度不匹配的沖突問題,優(yōu)化了概率函數(shù)分布表的存儲資源,靈活劃分密碼系統(tǒng)中的高斯采樣值,并有效加固了后量子密碼系統(tǒng)數(shù)據(jù)前級的側(cè)信道安全性。
圖3 多模域計(jì)算兼容可重構(gòu)算術(shù)單元
針對后量子密碼計(jì)算量大,數(shù)據(jù)復(fù)雜的痛難點(diǎn),優(yōu)化格數(shù)學(xué)難題中的數(shù)論變換(NTT)算法,實(shí)現(xiàn)了一種高性能NTT硬件加速單元。采用雙倍位寬乒乓式對稱存儲結(jié)構(gòu)突破訪存限制,改進(jìn)模乘運(yùn)算單元關(guān)鍵結(jié)構(gòu),提高多項(xiàng)式運(yùn)算的效率,相比同類運(yùn)算操作下最先進(jìn)的設(shè)計(jì)快3.95倍。
圖4 靈活指令集型后量子密碼安全處理器芯片架構(gòu)及版圖
針對后量子密碼算法的多樣化計(jì)算需求,創(chuàng)新性地提出了一種多模域計(jì)算兼容型可重構(gòu)核心算子,能夠配置為不同模域下的關(guān)鍵運(yùn)算結(jié)構(gòu),靈活支持Karatsuba、Toeplitz、NTT等運(yùn)算結(jié)構(gòu)。在配置為NTT結(jié)構(gòu)的運(yùn)算下,運(yùn)算性能與美國MIT研究團(tuán)隊(duì)在IEEEISSCC發(fā)表的相關(guān)成果保持國際同步水平,并具備更強(qiáng)的靈活性與通用性。
圖5 多模域計(jì)算兼容型可重構(gòu)核心算子
在團(tuán)隊(duì)積累多年的后量子密碼相關(guān)先進(jìn)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,在SMIC40nm工藝下實(shí)現(xiàn)了兩款后量子密碼芯片,能夠兼容國際最新標(biāo)準(zhǔn)的CRYSTAL-Kyber后量子密碼算法。后量子密碼Kyber芯片采用了高性能流水線結(jié)構(gòu)的蝶形運(yùn)算單元及高速NTT運(yùn)算單元,解決了加解密運(yùn)算中訪問存儲器所帶來的速度瓶頸問題。靈活指令集型后量子密碼芯片采用可編程自定義指令集架構(gòu),基于多模域計(jì)算兼容的可重構(gòu)算術(shù)單元與可配置多功能哈希/隨機(jī)采樣核心算子,在實(shí)現(xiàn)高性能的后量子密碼運(yùn)算的同時提高了芯片的靈活性與適應(yīng)性。
圖6 后量子密碼Kyber處理器芯片架構(gòu)及版圖
圖7 靈活指令集型后量子密碼處理器芯片架構(gòu)及版圖
華中科技大學(xué)
2022-09-23