一种用于格基签名与密钥交换的统一密码处理器

我们提出构建紧凑、统一且可编程密码处理器架构的设计方法,该架构可计算后量子密钥协商与数字签名。两类密码学原语间的协同效应被用于使密码处理器更为紧凑。作为一个案例研究,该密码处理器架构已针对签名方案 'CRYSTALS-Dilithium' 与密钥封装机制(KEM)'Saber' 进行优化,二者均为 NIST 后量子密码标准化项目的入围算法。该可编程密码处理器可执行 Dilithium 与 Saber 所有安全级别的密钥生成、封装、解封装、签名生成与签名验证。在 Xilinx Ultrascale+ FPGA 上,所提出的密码处理器消耗 18,406 个 LUT、9,323 个 FF、4 个 DSP 与 24 个 BRAM。其时钟频率达 200 MHz,并在最优情形下完成 LightSaber 的 CCA 安全密钥生成/封装/解封装操作分别耗时 29.6/40.4/58.3$\mu$s;Saber 为 54.9/69.7/94.9$\mu$s;FireSaber 为 87.6/108.0/139.4$\mu$s。其完成 Dilithium-2 的密钥生成/签名/验证操作分别耗时 70.9/151.6/75.2$\mu$s;Dilithium-3 为 114.7/237/127.6$\mu$s;Dilithium-5 为 194.2/342.1/228.9$\mu$s。在 UMC 65nm ASIC 库上,由于时钟频率翻倍,延迟改善为原来的二分之一。