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高能效可重构抗量子密码芯片关键技术研究
Key Technologies of Energy-Efficient Reconfigurable Post-Quantum Crypto-Processor
作 者：朱益宏
指导教师：刘雷波
培养院系：集成电路学院
学 科：电子科学与技术
读博感言：灵魂的渴望是命运的先知。
密码技术是保障数据与网络安全的核心基础。针对量子计算机对传统公钥密码体系造成的安全威胁，开展抗量子攻击密码标准化与迁移迫在眉睫。然而，相比于传统公钥密码算法，抗量子密码算法基础数学困难问题多样、算法结构不断演进、计算与访存模式复杂化的特点，难以满足密码协议与应用的性能需求。因此，如何通过算法、架构与电路等协同设计方法来实现可同时支持多种数学难题、兼顾灵活性与能量效率的密码芯片，是抗量子密码芯片设计领域的核心技术难题。
本论文针对不同数学困难问题抗量子密码算法在计算调度架构、算法-硬件联合设计、电路实现等层次进行了研究。首先，本论文提出了基于任务簇的可重构密码加速器整体架构，其包含基于任务簇的并行可扩展计算架构、基于区域的抗量子密码任务生成和动态更新任务通路。其次，本论文提出了一套面向多种数学难题的计算瓶颈的算法-硬件联合设计方法，其包含了紧凑置换网络数目的数论变换结构、高维度 Karatsuba 算法堆叠优化技术、动态内存复用的 GF(2) 高斯消去技术等策略。最后，本论文提出了一种支持密码多域计算的高并行可重构加速器数据通路设计，其包含了面向抗量子密码的异构计算阵列、高并行哈希计算核以及恒定时间排序器、高并行度可配置的采样模块设计和数据格式转换算子。
本论文在 TSMC 28nm 工艺下完成了两款可重构抗量子密码芯片的流片测试。第一款芯片 RePQC，是全球公开发表的第一款可支持不同数学难题的抗量子密码芯片，相比于当时最优工作，计算吞吐率和能量效率分别提升23.1 倍和 3.8 倍。第二款芯片 PQPU，进一步验证了基于任务簇扩展的可重构计算架构，支持国内外主流抗量子密码算法，计算吞吐率和提升了 44.6%, 能量-延时积下降了 19.3%。
首款支持不同数学困难问题的抗量子密码芯片架构
支持国内外主流抗量子密码算法芯片架构
1、提出了一种基于任务簇的可重构密码加速器整体架构；
2、提出了一套面向多种数学难题的计算瓶颈的算法-硬件联合设计方法；
3、提出了一种支持密码多域计算的高并行可重构加速器数据通路设计。
[1] Zhu Y., Zhu W., Ouyang Y., et al. A 28nm 69.4KOPS 4.4µJ/Op Versatile Post-quantum Crypto-Processor across Multiple Mathematical Problems[C]. IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2024(ISSCC-2024).
[2] Zhu Y., Zhu W., Zhu M., et al. A 28nm 48KOPS 3.4µJ/Op Agile CryptoProcessor for Post-Quantum Cryptography on Multi-Mathematical Problems[C]. IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2022(ISSCC-2022).
[3] Zhu Y., Zhu W., Li C., et al. RePQC: A 3.4 uJ/Op 48 kOPS Post-Quantum Crypto-processor for Multiple-mathematical Problems[J]. IEEE Journal Solid-State Circuits, 2023(JSSC-2023).
[4] Zhu Y., Zhu W., et al. Mckeycutter: A High-throughput Key Generator of Classic McEliece on Hardware[C]. IEEE/ACM Design Automation Conference, 2023(DAC-2023).
[5] Zhu Y., Zhu W., et al. LWRpro: An Energy-Efficient Configurable Crypto-Processor for Module-LWR[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2021(TCAS1-2021).
何为优博微展？
优博微展是清华大学应届优秀博士毕业生论文精华的呈现，由清华大学研究生院联合各院系收集并发布，旨在对我校博士研究生的阶段性学术成果和在校时期科研成绩进行简要、集中展示。
作者、图片：朱益宏
组稿、校阅：楚若冰
统筹：研究生院培养办
编辑与设计：研究生院综合办
