復雜零件全流程加工精度/效率/能耗預測技術(shù)與智能工藝優(yōu)化決策系統(tǒng)
發(fā)布日期：2023-02-08 瀏覽量：1
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【所屬領(lǐng)域】
電子信息
【成果介紹】
作為信息化時代各領(lǐng)域發(fā)展的重要基礎(chǔ)與保障，信息安全是一個不容忽視的國家安全戰(zhàn)略。當今信息安全領(lǐng)域廣泛使用的公鑰密碼體制主要都是基于經(jīng)典計算機“難以求解”的數(shù)學問題所設計構(gòu)造的。近些年來，隨著量子計算技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)公鑰密碼體制不再安全。一方面，Shor算法、Grover搜索算法、量子傅里葉變換等算法相繼被提出，從理論上證明這些算法在量子計算機上運行可以顯著縮短傳統(tǒng)公鑰密碼體制所依賴數(shù)學問題的求解時間。另一方面，實際可行的量子計算機技術(shù)不斷發(fā)展，2019年，Google宣布制造出53量子比特的量子處理器“懸鈴木”，在絕對零度條件下可以在200秒完成超級計算機1萬年的計算任務。在即將到來的“后量子時代”，我們需要更安全的密碼體制來保護隱私，也就是后量子密碼（Post-Quantum Cryptography, PQC）。未來10年商用量子計算機將面世，在量子計算機面前，構(gòu)造傳統(tǒng)公鑰密碼體制所基于的數(shù)學難題將毫無安全性可言，進而依賴密碼體制而構(gòu)建的信息安全系統(tǒng)及各種應用將面臨著嚴峻的安全問題，甚至存在被完全破解的潛在威脅，亟待研究抵御量子攻擊的密碼體制及其芯片實現(xiàn)技術(shù)。
2022年美國政府正式簽署安全法案，首次將后量子密碼納入美國國家安全備忘錄，同時還提出《量子計算網(wǎng)絡安全準備度法案》，旨在指導推動信息安全系統(tǒng)向后量子密碼學過渡。2022年9月7日，美國國家安全局(NSA)發(fā)布了《商業(yè)國家安全算法套件2.0》，其中將入選第三輪抗量子密碼標準化選擇的CRYSTALS-KYBER(以下簡稱Kyber)算法列為國家安全系統(tǒng)未來過渡遷移的必備算法。我國也在后量子密碼領(lǐng)域積極跟進，參與國際競爭，于2020年發(fā)布國內(nèi)首份量子安全白皮書，廣泛布局后量子密碼安全技術(shù)應用與產(chǎn)業(yè)生態(tài)。目前后量子密碼算法的研究正在逐漸走向成熟與標準化，未來將有數(shù)十億新舊設備完成從傳統(tǒng)公鑰密碼體制向后量子密碼算法的遷移過程。在充分考慮安全性能、算法性能、便利性和合規(guī)性的前提下，研制出符合國際標準且具有國際競爭力的后量子密碼SoC芯片并應用，對于我國加快搶占后量子密碼國際領(lǐng)先地位，保障量子時代下的信息安全具有重要意義。
圖1 后量子密碼在未來信息安全領(lǐng)域的應用
【成果介紹】
本成果提出一種應用在云計算、數(shù)據(jù)中心加密中的高性能隨機數(shù)生成哈希核心算子，實現(xiàn)了具有靈活性和高吞吐量的可配置Keccak核心。該核心可配置為支持多個采樣策略，通過高吞吐量隨機數(shù)擴展發(fā)生器新型結(jié)構(gòu)達到11.7Gbps的吞吐率，性能表現(xiàn)為目前世界最高水平。
在國際上首次提出了具有側(cè)信道SPA攻擊防御機制的可配置BS-CDT高斯采樣器。該設計基于CDT反演高斯采樣算法，通過真隨機數(shù)發(fā)生器和隨機化功耗特性的電路結(jié)構(gòu)，采取隱藏相關(guān)數(shù)據(jù)的防御機制，高效獲取安全性更好的均勻分布隨機數(shù)，并可以有效抵御時間攻擊和潛在的功耗分析攻擊，顯著提高安全性。電路采樣精度可達112bit，新型多級快速查找表結(jié)構(gòu)極大縮短了概率函數(shù)分布表搜索時間，性能相較于同類設計提升近18倍。解決了高精度需求與采樣速度不匹配的沖突問題，優(yōu)化了概率函數(shù)分布表的存儲資源，靈活劃分密碼系統(tǒng)中的高斯采樣值，并有效加固了后量子密碼系統(tǒng)數(shù)據(jù)前級的側(cè)信道安全性。
圖3 多模域計算兼容可重構(gòu)算術(shù)單元
針對后量子密碼計算量大，數(shù)據(jù)復雜的痛難點，優(yōu)化格數(shù)學難題中的數(shù)論變換（NTT）算法，實現(xiàn)了一種高性能NTT硬件加速單元。采用雙倍位寬乒乓式對稱存儲結(jié)構(gòu)突破訪存限制，改進模乘運算單元關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，提高多項式運算的效率，相比同類運算操作下最先進的設計快3.95倍。
圖4 靈活指令集型后量子密碼安全處理器芯片架構(gòu)及版圖
針對后量子密碼算法的多樣化計算需求，創(chuàng)新性地提出了一種多模域計算兼容型可重構(gòu)核心算子，能夠配置為不同模域下的關(guān)鍵運算結(jié)構(gòu)，靈活支持Karatsuba、Toeplitz、NTT等運算結(jié)構(gòu)。在配置為NTT結(jié)構(gòu)的運算下，運算性能與美國MIT研究團隊在IEEE ISSCC發(fā)表的相關(guān)成果保持國際同步水平，并具備更強的靈活性與通用性。
圖5 多模域計算兼容型可重構(gòu)核心算子
在團隊積累多年的后量子密碼相關(guān)先進技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，在SMIC 40nm工藝下實現(xiàn)了兩款后量子密碼芯片，能夠兼容國際最新標準的CRYSTAL-Kyber后量子密碼算法。后量子密碼Kyber芯片采用了高性能流水線結(jié)構(gòu)的蝶形運算單元及高速NTT運算單元，解決了加解密運算中訪問存儲器所帶來的速度瓶頸問題。靈活指令集型后量子密碼芯片采用可編程自定義指令集架構(gòu)，基于多模域計算兼容的可重構(gòu)算術(shù)單元與可配置多功能哈希/隨機采樣核心算子，在實現(xiàn)高性能的后量子密碼運算的同時提高了芯片的靈活性與適應性。
圖6 后量子密碼Kyber處理器芯片架構(gòu)及版圖
圖7 靈活指令集型后量子密碼處理器芯片架構(gòu)及版圖
【技術(shù)優(yōu)勢】
華中科技大學后量子密碼芯片團隊是國內(nèi)最早從事后量子密碼理論算法和硬件實現(xiàn)研究的團隊，早在2015年就開始從事后量子算法理論及硬件實現(xiàn)的研究工作，在后量子密碼處理器架構(gòu)及處理器設計、核心算子高效率硬件實現(xiàn)、側(cè)信道攻擊防御體系等關(guān)鍵技術(shù)取得突破，并基于SMIC 40nm工藝實現(xiàn)了兩款后量子密碼芯片，多項成果處于國際先進水平。研究工作先后得到國基金重點項目（國內(nèi)首個關(guān)于后量子密碼的重點基金項目“后量子密碼關(guān)鍵技術(shù)及IP”）、國家重點研發(fā)項目、國家科技重大專項子項目支持，在IEEE TII（IF:10.215）、TCAS-I、ISCAS等國際期刊會議高水平發(fā)表論文10余篇，已授權(quán)中國發(fā)明專利9項、美國專利1項，正在申請的專利5項;國內(nèi)首個《后量子密碼芯片設計》專著已于2022年4月完稿提交給電子工業(yè)出版社，正在走具體出版流程。團隊負責人劉冬生2020、2021、2022連續(xù)三年受CCF邀請做后量子密碼報告，引領(lǐng)和推動后量子密碼理論和技術(shù)的發(fā)展。
(1) 研發(fā)出國內(nèi)首款后量子密碼芯片，其能夠支持當前已被確定為最新國際標準的CRYSTAL-Kyber算法（已被美國國家安全局認定為美國國家商用安全算法套件Commercial National Security Algorithm Suite 2.0 / CNSA 2.0）。
(2)芯片加密/解密時間小于55μs/65μs@100MHz，滿足各類應用場景下高性能、高安全的數(shù)據(jù)處理需求，且具備標準高速數(shù)據(jù)通信接口，便于規(guī)?；瘧门c擴展。
(3)相關(guān)技術(shù)成果應用性強，有效解決后量子密碼技術(shù)應用中的痛難點；技術(shù)專業(yè)性高，同類設計難以被其他企業(yè)竊取或模仿，核心技術(shù)與關(guān)鍵方法已授權(quán)和申請多項發(fā)明專利，在國內(nèi)擁有領(lǐng)域內(nèi)最多的專利數(shù)量與技術(shù)積累，并授權(quán)后量子密碼美國專利1項。
（4）華中科技大學已經(jīng)與企業(yè)合作，具有開發(fā)安全芯片的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗，其中支撐某企業(yè)開發(fā)的安全MCU芯片廣泛應用于手機藍牙SIM卡、汽車T-BOX加密認證，POS機安全認證、指紋識別加密等，出貨超過200萬顆。信息安全系統(tǒng)向后量子密碼學過渡過程中，具有將后量子密碼快速落地應用的技術(shù)積累。
【應用場景】
后量子密碼芯片具有更強的安全性與保密性，可用于數(shù)據(jù)加密、安全認證、保密通信等各種領(lǐng)域中。應用于云計算、數(shù)據(jù)中心與政企專網(wǎng)中的機密數(shù)據(jù)加密及傳輸，通過HTTPS (TLS) 使用安全密鑰對各分支機構(gòu)間的傳輸數(shù)據(jù)進行加密，保障信息交互的安全。也被應用于更高層次一些的協(xié)議/應用，如數(shù)字證書、SSH、VPN、IPsec等。后量子密碼芯片可應用在網(wǎng)銀交易、智能終端、設備安防、工業(yè)4.0等各種高安全級別的應用中，保護金融交易、個人信息及工業(yè)生產(chǎn)信息安全。能夠作為公鑰基礎(chǔ)設施（Public Key Infrastructure，PKI），參與數(shù)字安全基礎(chǔ)設施建設，保障新時代數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展。
【市場前景】
近年來，隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的不斷深入，數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化進程也不斷加快，數(shù)據(jù)安全問題已成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點。當前數(shù)據(jù)中心與云計算的高速建設對數(shù)據(jù)安全和云安全提出了更高的要求，引起大量行業(yè)企業(yè)以及市場客戶的重視，包括云服務、云基礎(chǔ)設施、云安全在內(nèi)的中國整體云市場規(guī)模在2019年已達329億美元，預計2024年該市場規(guī)模將達到1,000億美元以上。智能終端產(chǎn)品與云計算的有機融合已是必然趨勢，萬物互聯(lián)對信息和連接的安全需求更將拉動安全市場的快速增長。后量子密碼作為新一代國際新型安全標準，將逐步融入到各種信息技術(shù)服務、多樣化設備與各類基礎(chǔ)設施建設當中，應用前景廣闊，市場空間巨大。
【知識產(chǎn)權(quán)】
該成果目前已授權(quán)相關(guān)發(fā)明專利13項，包括1項美國發(fā)明專利。另有4項中國發(fā)明專利正在申請中。