復雜零件全流程加工精度/效率/能耗預測技術與智能工藝優(yōu)化決策系統(tǒng)
發(fā)布日期：2023-02-08 瀏覽量：1
字號：大 中 小
【所屬領域】
電子信息
【成果介紹】
作為信息化時代各領域發(fā)展的重要基礎與保障，信息安全是一個不容忽視的國家安全戰(zhàn)略。當今信息安全領域廣泛使用的公鑰密碼體制主要都是基于經典計算機“難以求解”的數(shù)學問題所設計構造的。近些年來，隨著量子計算技術的快速發(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。
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域積極跟進，參與國際競爭，于2020年發(fā)布國內首份量子安全白皮書，廣泛布局后量子密碼安全技術應用與產業(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域的應用
【成果介紹】
本成果提出一種應用在云計算、數(shù)據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)生器新型結構達到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構，采取隱藏相關數(shù)據的防御機制，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構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)據前級的側信道安全性。
圖3 多模域計算兼容可重構算術單元
針對后量子密碼計算量大，數(shù)據復雜的痛難點，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構突破訪存限制，改進模乘運算單元關鍵結構，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核心算子，能夠配置為不同模域下的關鍵運算結構，靈活支持Karatsuba、Toeplitz、NTT等運算結構。在配置為NTT結構的運算下，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核心算子
在團隊積累多年的后量子密碼相關先進技術研究的基礎上，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構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，基于多模域計算兼容的可重構算術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處理器芯片架構及版圖
圖7 靈活指令集型后量子密碼處理器芯片架構及版圖
【技術優(yōu)勢】
華中科技大學后量子密碼芯片團隊是國內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及處理器設計、核心算子高效率硬件實現(xiàn)、側信道攻擊防御體系等關鍵技術取得突破，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（國內首個關于后量子密碼的重點基金項目“后量子密碼關鍵技術及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，引領和推動后量子密碼理論和技術的發(fā)展。
(1) 研發(fā)出國內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)據處理需求，且具備標準高速數(shù)據通信接口，便于規(guī)?；瘧门c擴展。
(3)相關技術成果應用性強，有效解決后量子密碼技術應用中的痛難點；技術專業(yè)性高，同類設計難以被其他企業(yè)竊取或模仿，核心技術與關鍵方法已授權和申請多項發(fā)明專利，在國內擁有領域內最多的專利數(shù)量與技術積累，并授權后量子密碼美國專利1項。
（4）華中科技大學已經與企業(yè)合作，具有開發(fā)安全芯片的產業(yè)化經驗，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)據加密、安全認證、保密通信等各種領域中。應用于云計算、數(shù)據中心與政企專網中的機密數(shù)據加密及傳輸，通過HTTPS (TLS) 使用安全密鑰對各分支機構間的傳輸數(shù)據進行加密，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)生產信息安全。能夠作為公鑰基礎設施（Public Key Infrastructure，PKI），參與數(shù)字安全基礎設施建設，保障新時代數(shù)字經濟發(fā)展。
【市場前景】
近年來，隨著數(shù)字化轉型的不斷深入，數(shù)字產業(yè)化和產業(yè)數(shù)字化進程也不斷加快，數(shù)據安全問題已成為國內外關注的焦點。當前數(shù)據中心與云計算的高速建設對數(shù)據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、云基礎設施、云安全在內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服務、多樣化設備與各類基礎設施建設當中，應用前景廣闊，市場空間巨大。
【知識產權】
該成果目前已授權相關發(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。