面向分组加密算法的可重构阵列处理单元优化与设计

摘要

可重构系统具有灵活性和高能效的优势，适用于分组密码算法等数据密集型应用的实现。为了适应密码算法不断提升的性能需求，可重构阵列规模逐渐增加，阵列架构内功能单元冗余数量多、利用率低的问题日益凸显，严重影响了整个系统的面积效率（性能面积比）。本文面向分组密码算法，通过算子特征分析和算法映射分析，优化设计可重构系统PE阵列结构，减少冗余功能单元，提高算法映射时的功能单元利用率，从而提升整个系统的面积效率。
　　本文首先通过对分组密码算法进行有向顶点活动网络建模，并基于该模型分析算法电路关键路径，提取算法的模式特征、组合特征和次序特征，指导PE阵列结构设计，包括阵列拓扑、PE组、PE结构、互连单元、功能单元等;然后，通过对PE阵列进行有向顶点活动网络参数化建模，并改进VF2子图同构算法，实现密码算法到PE阵列的映射，通过评估算法映射时的功能单元利用率，对PE阵列结构进行多轮反馈迭代优化，从而去除PE结构中的冗余功能单元和低利用率功能单元，进一步提高PE阵列的面积效率。
　　本文设计的PE阵列结构采用TSMC40nm CMOS工艺实现，电路运行主频为500MHz，单个PE组面积为0.22mm2。经30种常用分组密码算法测试验证，本文设计的PE阵列结构算法平均功能单元利用率为25.5％，平均面积效率为171.7Gbps/mm2。与其它面向分组密码算法的可重构阵列架构相比，功能单元利用率提高了83.2％～168.5％，面积效率提高了57.1％～643.5％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 可重构计算概述

1．1．2 密码算法综述

1．2 国内外研究现状

1．2．1 可重构密码架构综述

1．2．2 密码可重构PE概述

1．3 论文研究内容及意义

1．4 论文组织结构

第二章 分组密码算法与密码可重构架构

2．1 分组密码算法简介

2．2 分组密码算法的数学模型

2．3 分组密码算法的结构分类

2．3．1 Feistel网络结构

2．3．2 SP网络结构

2．3．3 ARX结构

2．4 面向分组密码算法可重构系统架构

2．4．1 配置控制器

2．4．2 计算阵列

2．5 本章小结

第三章 基于算子特征分析的PE阵列结构设计

3．1 分组密码算法建模与算子特征提取

3．1．1 算法建模

3．1．2 算子特征提取

3．2 PE阵列结构设计

3．2．1 阵列整体框架

3．2．2 PE组设计

3．2．3 PE设计

3．3 功能单元设计

3．3．1 逻辑单元

3．3．2 S盒单元

3．3．3 算术单元

3．3．4 置换单元

3．3．5 移位单元

3．3．6 有限域乘法单元

3．3．7 互连单元设计

3．4 本章小结

第四章 基于算法映射的PE阵列结构优化

4．1 可重构架构映射概述

4．1．1 问题描述

4．1．2 研究现状

4．2 子图同构概述

4．2．1 子图同构基本概念

4．2．2 VF2子图同构算法

4．3 基于改进的子图同构算法的PE阵列映射方案

4．3．1 架构建模

4．3．2 算法映射方案

4．4 基于映射结果分析的PE结构优化

4．5 本章小结

第五章 PE阵列结构实现验证与分析

5．1 PE阵列结构电路实现结果

5．2 算法映射

5．3 与其它可重构方案对比分析

5．3．1 功能单元利用率

5．3．2 面积效率

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录A 算法在不同架构平台的映射结果