面向格密码芯片的高效存储器架构研究.pdf

面向格密码芯片的高效存储器架构研究

摘要

随着物联网的飞速发展，越来越多的设备接入互联网。但终端设备的安全漏洞可

能会被不法分子利用，导致隐私数据泄露。由于量子计算机的快速发展，传统公钥密

码方案面临破解威胁，因此学术界提出了可以抵抗量子攻击的后量子密码方案，用来

保障互联网通信安全。CRYSTALS-Dilithium和CRYSTALS-Kyber是基于格的后量子密

码方案，目前国内外关于格密码的研究主要在于算法的软件优化和硬件设计的性能提

升，但对于资源受限的终端设备来说，节能的设计方案才是需要被考虑的重点。因此

本文的研究是基于低功耗的格密码芯片方案来设计存储架构，具体从以下两个角度进

行研究。

一方面是通过降低两种算法数据的存储容量，有效减少片上存储资源的消耗，达

到降低静态功耗的目的。本文根据两种算法数据的生成与计算特征，提出动态生成、

变量空间重用等多种优化策略，减少存储空间的使用。在此基础之上，根据对数据类

型的区分，提出适用于Dilithium和Kyber两种算法的D-K存储架构。存储架构分为多

项式存储单元、字节存储单元和模块接口设计3个部分，能够完成两种算法数据的存

储工作。

另一方面是通过减少数据访存次数，来降低存储单元的使用频次，达到降低动态

功耗的目的。本文从Dilithium和Kyber的算法层面入手，通过改变各阶段算法的执行

顺序和分割算法等方式，对格密码芯片方案中各个模块进行流水线设计，隐藏了部分

计算过程对存储单元的读取和写入，有效减少了算法执行期间的访存次数。

本文设计的存储方案经过仿真软件的功能验证，能够通过两种算法不同阶段数据

流的测试，正确完成各种读写操作。与相似研究对比，本研究在Dilithium算法的存储

资源消耗方面低于已有研究。从结果来看，本研究的存储架构设计适用于低功耗的格

密码芯片方案。

关键词：格密码；存储架构；流水线；访存优化

面向格密码芯片的高效存储器架构研究

Abstract

WiththerapiddevelopmentoftheInternetofThings,moreandmoredevicesare

connectedtotheInternet.However,securityvulnerabilitiesinterminaldevicesmaybe

exploitedbycriminals,leadingtotheleakageofprivatedata.Duetotherapiddevelopmentof

quantumcomputertechnology,traditionalpublickeycryptographyschemesarefacingthe

threatofcracking.Therefore,theacademiccommunityhasproposedapostquantum

cryptographyschemethatcanresistquantumattackstoensurethesecurityofInternet

communication.CRYSTALSDilithiumandCRYSTALSKyberarelattice-basedpost

quantumcryptographyschemes.Currently,researchonlatticecryptographyathomeand

abroadmainlyfocusesonsoftwareoptimizationofalgorithmsandperformanc