后量子密码CRYSTALS-Dilithium的高性能实现

作     者：方伟钿 蒲金伟 谢家兴 郑欣 熊晓明 

作者机构：广东工业大学集成电路学院 广东工业大学自动化学院 

出 版 物：《小型微型计算机系统》 (Journal of Chinese Computer Systems)

年 卷 期：2024年

学科分类：08[工学] 0839[工学-网络空间安全] 

基　　金：广东省重点领域研发计划项目（2022B0701180001）资助 广东省基础与应用基础研究基金项目（2021A1515110777）资助 

主　　题：后量子密码学 数字签名 多项式乘法器 数论变换 

摘      要：CRYSTALS-Dilithium作为后量子密码标准化竞赛的获胜选手之一，被官方首推为传统公钥转型过渡的格数字签名方案。针对目前算法存在的纯硬件方案少和性能不足等问题，提出一种部署在FPGA端的高性能协处理器。本设计调用2层4组并排的CT和GS蝶形对，采用多级流水线、算子可重构和关键路径优化等技术，避免过长的流水线等待，实现高效的多项式运算单元。完全硬件化哈希、采样和特殊函数等单元，并在狭小的设计空间里组合并优化各模块调度。实验结果表明，所提出的系统工作频率为157MHz，执行最高安全等级的密钥生成、签名和验签仅需64.1μs、304.0μs和59.6μs，相比同平台的硬件协处理器，全流程速度提升约69%。