基于2KNTT的多项式乘法单元设计

在格基抗量子公钥密码算法的基础运算中,多项式乘法在硬件实现上消耗大量的时间.为提高实际运算性能,本文通过分析多项式乘法运算中数论变换的快速实现算法,提出一种面向CRYSTALS-Kyber算法、适应硬件实现的2n次单位根预处理型快速数论变换算法架构,利用小位宽数论变换的并行处理与复杂度低的计算形式来减少运算时间.整体运算架构在结合算法特殊性质后,确定了32路并行的设计模型.在此基础上,设计了一种与该架构匹配的统一化运算单元和数据读写不冲突、地址分配最优的存储单元.实验结果表明,在65 nm的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺下,97 ns完成一组项数为256、模数为3329的多项式乘法运算,花费108个周期,最高工作频率可达到1.1 GHz,面积时间积为20.7(kGE·μs).

分簇式VLIW密码专用处理器的编译器后端优化研究

密码专用处理器常采用分簇式超长指令字(Very Long Instruction Word,VLIW)架构,其性能的发挥依赖于编译器的实现.当前对于通用VLIW架构的编译后端优化方案,在密码专用处理器上都有一定的不适应性.为此,本文提出了一种面向密码专用处理器的、同时进行簇指派、指令调度和寄存器分配的编译器后端优化方法.构造“定值-引用”链,求解变量的候选寄存器类型集合交集,确定其寄存器类型;实时评估可用资源,进行基于优先级的指令选择和基于平衡寄存器压力的簇指派;改进线性扫描算法,基于变量的“待引用次数”列表进行实时的寄存器分配.实验结果表明,本方法能够提升生成代码的性能,且算法是非启发式的,减小了编译所需的时间.

RISCV密码专用处理器能效概率模型与体系结构研究

该文以高能效为目标,建立了密码专用处理器能效概率模型,并指导高能效密码专用处理器体系结构设计。该文将面向密码领域的专用指令处理器设计空间探索问题描述为“1”值在配置矩阵中的定位问题,通过引入概率矩阵进一步将定位问题转化为最优配置的概率问题,并基于机器学习思想提出了密码专用处理器最高能效概率模型。实验证明,该文提出的能效概率模型平均经过2300次迭代输出最终结果,且预测准确率达到92.7%。根据最高能效概率模型,对密码专用处理器设计空间进行探索,获取满足高能效需求的密码专用处理器运算单元集合,以扩展指令的方式将其集成到开源通用64位RISCV处理器核心Araine中,提出高能效密码专用处理器体系结构。将该处理器在CMOS 55 nm工艺下进行逻辑综合,结果表明,该文提出的RISCV密码专用处理器与扩展前相比面积增大了426874 mm^(2),关键延迟增加了0.51 ns,完成密码算法总时间面积积增幅之和为0.46,执行常见密码算法能效比在1.61~35.16 Mbps/mW范围内。