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LWRpro: An Energy-Efficient Configurable Crypto-Processor for Module-LWR

计算机科学 密钥封装 密码学 嵌入式系统 高效能源利用 调度(生产过程) 能源消耗 并行计算 计算机硬件 计算机工程 公钥密码术 算法 操作系统 加密 对称密钥算法 数学 电气工程 数学优化 工程类 生物 生态学
作者
Yihong Zhu,Min Zhu,Bohan Yang,Wenping Zhu,Chenchen Deng,Chen Chen,Shaojun Wei,Leibo Liu
出处
期刊:IEEE Transactions on Circuits and Systems I-regular Papers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:68 (3): 1146-1159 被引量:64
标识
DOI:10.1109/tcsi.2020.3048395
摘要

Saber, the only module-learning with rounding-based algorithm in NIST's third round of post-quantum cryptography (PQC) standardization process, is characterized by simplicity and flexibility. However, energy-efficient implementation of Saber is still under investigation since the commonly used number theoretic transform can not be utilized directly. In this manuscript, an energy-efficient configurable crypto-processor supporting multi-security-level key encapsulation mechanism of Saber, is proposed. First, an 8-level hierarchical Karatsuba framework is utilized to reduce degree-256 polynomial multiplication to the coefficient-wise multiplication. Second, a hardware-efficient Karatsuba scheduling strategy and an optimized pre-/post-processing structure is designed to reduce the area overheads of scheduling strategy. Third, a task-rescheduling-based pipeline strategy and truncated multipliers are proposed to enable fine-grained processing. Moreover, multiple parameter sets are supported in LWRpro to enable configurability among various security scenarios. Enabled by these optimizations, LWRpro requires 1066, 1456 and 1701 clock cycles for key generation, encapsulation, and decapsulation of Saber768. The post-layout version of LWRpro is implemented with TSMC 40 nm CMOS process within 0.38 mm 2 . The throughput for Saber768 is up to 275k encapsulation operations per second and the energy efficiency is 0.15 uJ/encapsulation while operating at 400 MHz, achieving nearly 50× improvement and 31× improvement, respectively compared with current PQC hardware solutions.
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