近日，6774澳门永利劉冬生教授團隊在後量子密碼芯片領域的最新研究成果以“A 40nm 1.26μJ/Op Energy-Efficient CRYSTALS-KYBER Post-Quantum Crypto-Processor with Comprehensive Side Channel Security Analysis and Countermeasures”為題，發表在于美國科羅拉多州丹佛舉行的集成電路設計頂會之一IEEE定制集成電路大會（CICC 2024）。6774澳门永利劉冬生教授為論文通訊作者，6774澳门永利博士生李奧博為論文第一作者，6774澳门永利為論文第一完成單位。

後量子密碼學（Post-Quantum Cryptography, PQC）全球遷移正在加速，随着2023年PQC FIPS信息處理标準的三個草案的發布，其中Kyber是唯一正式選定的關鍵密鑰封裝機制（KEM）。然而，從傳統密碼學到PQC的遷移仍面臨以下三個挑戰：1)密鑰大小和加解密延遲的顯著增加導緻現有信息設備的性能下降和資源開銷增大。此外，未經授權的訪問也引發了隐私問題。2)更複雜的計算和調度，以及潛在的效率問題。3)側信道攻擊（SCA）的風險以及PQC硬件面臨的保護要求提升。

本文提出了一種高能效Kyber後量子密碼處理器芯片，該芯片架構包括控制和交互頂層模塊、多數據生成器、多項式算術矩陣和兩個物理隔離的存儲器。控制器用于處理芯片内外的指令和數據交互。它統一調度數據生成和多項式計算。所有Kyber的加密過程均由控制器安排。自定義指令增強了靈活性，并為Kyber的不同安全級别操作提供了更好的重用性。兩級級聯的Keccak核心和兩個采樣器構成數據生成的關鍵電路。循環連接和内部狀态寄存器的複用帶來了較低的開銷。并行的二項式采樣器和拒絕采樣器能夠從連續的随機比特流中産生特定的系數分布。四個哈希函數結合狀态跳轉和截斷，将産生摘要和HMAC。使用八個可重配置算術單元（RAU）加速Kyber中多項式的計算，包括數論變換（NTT）和逆NTT（INTT）、點乘、壓縮和解壓。兩個獨立的SRAM分别是安全RAM（6KB）和公共RAM（3KB）。所有數據隻能通過總線交換，保證數據安全性。

40nm工藝下處理器面積僅0.43mm²，工作電壓範圍為0.65V@10MHz至1.2V@180MHz，支持Kyber的三種安全級别的密鑰生成、封裝和解封。該芯片消耗總共302k等效門數，使用9KB内存。單個完整的Kyber方案隻需1.26μJ/Op，這是當前最先進的後量子密碼芯片中效率最高指标。

關于CICC

在集成電路設計領域，IEEE固态電路協會（Solid-State Circuits Society）主辦的定制集成電路會議（CICC）是IC設計領域頂級會議之一，以論文錄用率低、作品創新性和實用性強著稱，每年吸引全球範圍内大量學術界、工業界研發人員的關注和參與。會議内容涉及模拟電路設計、生物醫學、傳感器、顯示器和MEMS，數字和混合信号SoC/ASIC/SIP,嵌入式存儲器件等方面，重點讨論如何解決集成電路設計問題的方法，以提高芯片各項性能指标。

團隊介紹

6774澳门永利劉冬生教授主要從事後量子密碼芯片，高速互連集成電路，射頻收發器芯片關鍵技術（時鐘恢複，頻率綜合器，振蕩器，射頻前端等）等。近5年成功投片20餘次，主持國基金重點項目、國家重點研發課題、華為合作等千萬級項目2項，百萬級項目11項，合同總經費近5千萬元；出版《後量子密碼芯片設計》專著1本，在IEEE TII (IF: 12.3)、JSSC（芯片設計領域國際TOP期刊）、IoT（IF: 10.6）、TIE（IF:7.7）、TCAS I、CICC（芯片設計領域國際TOP會議）、ASSCC、ISCAS等期刊及高級别會議上發表論文60餘篇；授權專利63項，國際PCT專利2項，美國專利1項，專利轉讓6項。研究成果在海康等13家企業進行了應用和推廣，累計應用價值35.4億元，2023年獲湖北省科技進步二等獎（第一完成人）。擔任IEEE Senior Member，國家集成電路叢書編委，國際期刊“Microelectronics Journal” Editor、“微電子學”期刊編委，IEEE APCCAS、IEEE ASICON、IEEE ICSICT、AsianHOST2023等國際會議技術委員會委員。2023年獲華為火花獎。