信息网络安全 ›› 2023, Vol. 23 ›› Issue (5): 76-84.doi: 10.3969/j.issn.1671-1122.2023.05.008
收稿日期:
2022-12-16
出版日期:
2023-05-10
发布日期:
2023-05-15
通讯作者:
戴紫彬
E-mail:daizb@126.com
作者简介:
张晓磊(1992—),男,河北,硕士研究生,主要研究方向为安全专用芯片设计|戴紫彬(1966—),男,河南,教授,博士,主要研究方向为可重构计算与安全专用芯片|刘燕江(1990—),男,河南,讲师,博士,主要研究方向为芯片安全防护与硬件木马|曲彤洲(1994—),男,辽宁,博士研究生,主要研究方向为粗粒度可重构密码阵列设计
基金资助:
ZHANG Xiaolei, DAI Zibin(), LIU Yanjiang, QU Tongzhou
Received:
2022-12-16
Online:
2023-05-10
Published:
2023-05-15
Contact:
DAI Zibin
E-mail:daizb@126.com
摘要:
模运算单元是粗粒度可重构密码阵列(Coarse Grain Reconfigurable Cryptographic Array,CGRCA)的关键部件,通过重构不同处理位宽和模数的算术类密码算子来覆盖更多类型的分组密码,然而现有的模运算单元的执行延迟高且功能覆盖率低,限制了CGRCA整体性能的提升。文章通过分析分组密码模运算特性,提出一种可重构模运算方法,统一了该类算子的数学表达方式,并设计了一种可重构模运算单元 (Reconfigurable Modulo Arithmetic Unit,RMAU),该单元支持5种模乘运算、3种模加运算和3种乘法累加运算。同时,通过舍弃部分积中的无用比特位、扩展Wallace树压缩求和过程、精简模修正电路执行路径,降低了该单元的关键路径延迟。基于CMOS 180 nm工艺测试了RMAU的功能与性能,实验结果表明,文章所提的RMAU具备高功能覆盖率,与模乘RCE单元、可扩展模乘结构和RNS乘法器相比,计算延迟分别降低了39%、44%和47%。
中图分类号:
张晓磊, 戴紫彬, 刘燕江, 曲彤洲. 面向分组密码的高速可重构模运算单元设计[J]. 信息网络安全, 2023, 23(5): 76-84.
ZHANG Xiaolei, DAI Zibin, LIU Yanjiang, QU Tongzhou. Design of High Speed Reconfigurable Modulo Arithmetic Unit for Block Cipher[J]. Netinfo Security, 2023, 23(5): 76-84.
表3
可重构模运算乘法器对比
乘法器 | 延迟/ns | 面积/μm2 | 功耗-延迟积/ (ns·μm2) | 工艺/nm | 支持算法 |
---|---|---|---|---|---|
模乘RCE单元[ | 4.62 | 127260 | 587941 | 180 | 模216乘法、模216+1乘法、模232乘法、模232-1乘法 |
高速可重构乘法器[ | 2.80 | 182752 | 511705.6 | 180 | 16 bit乘法、32 bit乘法、模216乘法、模216+1乘法 |
可扩展模乘结构[ | 5.00 | - | - | 180 | 32 bit乘法、模216+1乘法、模232+1乘法 |
PE阵列[ | 1.27 | 1585 | 2012.95 | 40 | 模28加法、模216加法、模232加法 |
RNS乘 法器[ | 5.28 | 61661 | 325570.08 | 180 | 模216+1乘法、模216-1乘法 |
RMAU | 1.17 | 11778 | 13780.26 | 40 | 模28乘法、模216乘法、模232乘法、8比特乘法、16比特乘法 模28加法、模216加法、模232加法 模28乘法、模216乘法、模232乘法 模216+1乘法、模232+1乘法、乘法累加运算 |
2.80 | 86765 | 242942 | 180 |
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