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动态可重构密码芯片关键技术研究

袁航  
【摘要】:密码芯片是各类信息安全系统中的重要基础,动态可重构计算技术架构特点具备在密码领域广泛应用的潜力。但是,当前动态可重构密码芯片仍存在着难以兼顾灵活性、能量效率和安全性的问题,主要体现在三个方面:一是如何适应密码算法多样性的需求,二是如何提高不规则的密码计算流图的执行效率;三是如何结合可重构计算特点提高芯片的硬件安全性。本论文着眼于解决动态可重构密码芯片兼顾高灵活性、高能量效率和高安全性的难题。首先,分析常见密码算法的结构特征和可重构性,研究典型安全协议的共性特点。在此基础上,针对动态可重构密码芯片的硬件架构开展了关键技术的创新性探索。一是提出一种面向密码领域的算子及互连的设计方法,通过对基本算子量化和频度分析,完成同构和异构处理单元设计;设计了一种可配置的置换广播互连网络,通过将密码操作与算子互连融合,增强芯片灵活性和能量效率。实验结果表明,数据通路可支持安全协议所需算法,互连网络相比DBN/SRBMC等同类设计,工作频率提高33%,路由单元数减少65%。二是创新提出基于块划分的全联通阵列结构,将阵列划分为可重构块、块间通过层次型多级缓存高速交换数据,有效增强了反馈/迭代型密码计算的局部性,提高了芯片运行效率。实验结果表明,相比于未采用该技术的数据通路,可实现55%加速。三是提出配置归并及编码压缩技术,通过将循环体单次配置连续执行、计算分支并行执行,有效减少重构次数;通过对配置码共性抽取和编码压缩,减少配置码规模。实验结果表明,相比于未采用该优化技术的配置通路,可实现15倍以上的配置加速和80%以上的配置码压缩。四是针对配置信息执行和存储环节,提出基于等价可重构块的随机配置技术,为算法执行引入时域和空域随机性;提出基于SPUF配置信息加扰技术,利用SPUF工艺相关性和不可复制性,实现配置信息个性化加扰存储,提高密码芯片抗物理攻击能力;同时,设计了一种基于差分充电电容的SPUF电路,流片结果表明,该电路常温稳定性、功耗及性能上均优于JSSC’16和DATE’16工作。结合以上技术,本论文使用TSMC 55nm工艺设计完成了一款TSR动态可重构密码芯片和一款SPUF电路验证芯片。TSR芯片可以完成常见安全协议中密码算法和套件加速,性能是现有国际上最好结果Cryptoraptor的6倍多,面积效率提升约60%。SPUF电路测试结果表明,相比JSCC’16的结果,功耗降低61.9%,性能提升2.8倍。


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