ESPM-D：面向 ARM Cortex-M4 与 Apple M2 上 Dilithium 的高效稀疏多项式乘法
密码学与安全
2024-04-22 v1
摘要
Dilithium 是一种由 NIST 后量子密码学（PQC）项目标准化的基于格的数字签名方案。在本研究中，我们致力于为 ARM Cortex-M4 和 Apple M2 开发高效的 Dilithium 稀疏多项式乘法实现，这两者均基于 ARM 架构。ARM Cortex-M4 通常用于传感器等资源受限的设备。相反，Apple M2 通常见于移动设备，强调高性能与多功能性。因此，我们针对 ARM Cortex-M4 和 Apple M2 采取了不同的优化策略：前者优先优化栈使用，后者则着重提升计算效率。与最先进的数论变换（NTT）实现相比，我们优化后的稀疏多项式乘法在 ARM Cortex-M4 上实现了高达 30% 的加速，在 Apple M2 上实现了 55% 的加速。此外，我们将稀疏多项式乘法与 Dilithium 签名过程中的无穷范数判断相结合，进一步提升了签名效率。我们优化后的实现不仅在 Dilithium2、Dilithium3 和 Dilithium5 的签名过程中分别减少了 10.8%、1.2% 和 7.7% 的栈使用量，而且与最先进的 ARM Cortex-M4 实现相比，签名性能提升了 0.4% 至 0.8%。此外，我们利用 ARM Cortex-M4 DSP 指令优化了多项式采样、舍入函数以及多项式打包与解包，使得密钥生成和验证过程提升了 0.4%-3.2%。在 MacBook Air 2022 上，我们的 Dilithium 实现在签名过程中实现了 10% 至 11% 的加速。据我们所知，我们的工作在 ARM Cortex-M4 和 Apple M2 平台上均创下了 Dilithium 的性能新纪录。
引用
@article{arxiv.2404.12675,
title = {ESPM-D: Efficient Sparse Polynomial Multiplication for Dilithium on ARM Cortex-M4 and Apple M2},
author = {Jieyu Zheng and Hong Zhang and Le Tian and Zhuo Zhang and Hanyu Wei and Zhiwei Chu and Yafang Yang and Yunlei Zhao},
journal= {arXiv preprint arXiv:2404.12675},
year = {2024}
}
备注
19 pages, 1 figure