クラウドFPGAにおける限界性能に達するセキュア高機能暗号回路の開発

开发达到云端FPGA性能极限的安全高性能密码电路

基本信息

批准号：
22K17893
负责人：
坂本純一
金额：
$ 2.83万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K17893/
关键词：
FPGA クラウド暗号ペアリング乗算器高機能暗号高速実装

项目摘要

クラウド上で利用可能な大規模FPGAの限界性能に達する超高性能暗号コアの開発を行っている。先行研究の実装の多くはなるべく小さな回路で高性能を達成しようとしているが、これらの実装はクラウド上のFPGAには不適切である可能性がある。特に暗号コア設計では、専用の乗算器プリミティブであるDSPリソースを有効に使うことが重要になるが、先行研究はなるべくDSPを使わない方針を採っており非効率である。本研究では大量のDSPプリミティブを利用した超高速剰余乗算器を設計し、DSPリソース内の機能を最大限活用することで限界性能に近い600 MHzで動作させることに成功した。提案した剰余乗算器のスループットは188 Gbpsに達し、これは先行研究比で数十倍高速である。また提案手法は大量の回路を消費する一方で回路規模当たりのスループットも先行研究の数倍を達成しており、コストパフォーマンスの良い実装であることがわかった。さらに提案乗算器を使ったペアリング暗号コアを設計し、剰余乗算器以外に必要となる剰余加算器などを慎重に設計することで、約500 MHzという周波数で動作する暗号コアを設計できた。スループットは先行研究比で数倍から10倍を達成しており、回路規模当たりのスループットも数倍から数十倍となった。これらの結果を2023年1月に国内のシンポジウムで発表し、その後国際会議に投稿したが棄却となった。現在別の国際会議に投稿中である。

我们正在开发超高的性能加密核心，该核心达到可以在云上使用的大规模FPGA的极限。先前研究的许多实施都试图以尽可能少的电路来实现高性能，但是这些实现可能不适合云上的FPGA。特别是，在密码核心设计中，重要的是有效地使用专用乘数原始素的DSP资源，但是先前的研究采取了不使用DSP尽可能多的政策，从而使其效率低下。在这项研究中，我们设计了一种超快速的残差乘数，它利用了大量的DSP原语，并且通过充分利用DSP资源中的功能，我们成功地以600 MHz运行，接近限制性能。剩余乘数的拟议吞吐量达到了188 Gbps，比以前的研究快几十倍。此外，尽管所提出的方法消耗了大量电路，但与以前的研究相比，它也可以实现每电路尺度的吞吐量的几倍，从而使其成为具有成本效益的实施。此外，通过使用所提出的乘数设计配对加密芯，并仔细设计除剩余乘数以外所需的剩余加法器，我们能够设计一个以大约500 MHz频率运行的加密核心。吞吐量的实现比以前的研究多了几到十倍，并且每个电路尺度的吞吐量也达到了几至十倍。这些结果于2023年1月在国内研讨会上提出，随后被邮寄到国际会议上，但被拒绝。目前在另一个国际会议上发布。