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High-Performance Hardware Implementation of Crystals-Dilithium Based on Improved MDC-NTT

二锂 计算机科学 计算机硬件 嵌入式系统 物理 离子 量子力学 脱质子化
作者
Yijun Cui,J.S. Zhong,Bei Wang,Tianyu Xu,Chenghua Wang,Weiqiang Liu
出处
期刊:IEEE Transactions on Computers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:74 (9): 2896-2908 被引量:1
标识
DOI:10.1109/tc.2025.3576934
摘要

The growing threat of quantum computing to traditional cryptographic systems has necessitated the development of robust post-quantum algorithms. Crystal-Dilithium, recently standardized by NIST after a three-round competition, is a leading lattice-based digital signature algorithm designed to meet this need. However, conventional hardware implementations of Dilithium often suffer from inefficiencies and performance bottlenecks. To address these weaknesses, this work presents an optimized hardware design for Dilithium across all security levels. The proposed design features a parallel modular multiplication unit, and an enhanced scaling method to reduce bit width and minimize calibration. Additionally, an improved radix-2 Multipath Delay Commutator Number Theoretic Transform (MDC-NTT) and pipelined parallelization using FIFO and BRAM-based buffers are integrated to maximize operating frequency. Evaluated on the Xilinx Artix-7 platform, our implementation achieves a peak frequency of 191 MHz, delivering speedups of 26.3%, 32.5% and 29.6% for key generation, signature generation and signature verification respectively, compared with state-of-the-art works at the highest security level, along with superior hardware efficiency.
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