面向分組密碼算法的S盒置換單元并發(fā)訪問結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、分組密碼算法中的S盒置換單元作為非線性計(jì)算模塊，用于模糊明文和密文之間的關(guān)系?？芍貥?gòu)系統(tǒng)具有了高靈活和高能效的優(yōu)勢，適用于密碼算法等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。對于S盒置換單元，邏輯電路實(shí)現(xiàn)方式面積效率高，但無法適應(yīng)多種算法，查找表實(shí)現(xiàn)方式能夠克服這一不足，但巨大的存儲資源開銷影響了整個(gè)可重構(gòu)系統(tǒng)的面積效率。本文面向多種分組密碼算法的S盒置換單元，設(shè)計(jì)并發(fā)訪問的查找表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化提高基于查找表實(shí)現(xiàn)的S盒置換單元的面積效率。
　　本文以面向分

2、組密碼算法的可重構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)為驗(yàn)證平臺，從查找表電路結(jié)構(gòu)和查找表陣列結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面入手，設(shè)計(jì)了一種適用于多種分組密碼算法的S盒置換單元查找表模塊。在電路結(jié)構(gòu)方面，提煉分組密碼算法的S盒置換特征，分析查找表容量、端口數(shù)目變化與面積、訪問并發(fā)度之間的關(guān)系，從而在給定算法集條件下，獲得高面積效率的查找表大小和端口數(shù)目設(shè)計(jì)，并進(jìn)行全定制多端口SRAM存儲器版圖設(shè)計(jì);在陣列結(jié)構(gòu)方面，在單輪函數(shù)內(nèi)S盒大小不一的應(yīng)用需求以及高性能的目標(biāo)驅(qū)動下，針對大數(shù)據(jù)

3、位寬和表容量造成的面積資源耗用大的問題，本文基于查找表的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了可重構(gòu)S盒置換單元模式，進(jìn)而在多輪函數(shù)間高訪問并發(fā)度的應(yīng)用需求下，針對多份相同存儲的S盒置換信息導(dǎo)致的存儲冗余問題，本文設(shè)計(jì)了基于多端口并發(fā)訪問存儲單元的存儲復(fù)用、存儲共享的查找表結(jié)構(gòu)，最終在可重構(gòu)系統(tǒng)上進(jìn)行密碼算法映射，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了面積、性能的優(yōu)化結(jié)果。
　　本文SRAM電路實(shí)現(xiàn)采用SMIC40nm CMOS工藝，電路運(yùn)行主頻為500MHz，查找表模塊面

4、向多種S盒置換模式支持并發(fā)訪問，面積約為26467μm2，其中四端口256深8bits寬的SRAM面積為6002μm2，平均面積效率達(dá)到3131.87bits/mm2/cycle，該查找表模塊應(yīng)用于已有可重構(gòu)架構(gòu)，在相同的訪問并發(fā)度需求下，本文所設(shè)計(jì)的查找表單元面積減小了68.69％，本文所設(shè)計(jì)的查找表單元比Cryptor的面積效率提升了235.28％，比RPU的面積效率提升了160.03％，比RCPA的面積效率提升了29.23％，比C