零知识证明中椭圆曲线运算的硬件加速方法研究

作     者：丁冬 李正权 DING Dong;LI Zhengquan

作者机构：江南大学物联网工程学院江苏无锡214122 北京邮电大学网络与交换技术全国重点实验室北京100876 

出 版 物：《中国计量大学学报》 (Journal of China University of Metrology)

年 卷 期：2024年第35卷第2期

页      面：185-196页

学科分类：0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 0835[工学-软件工程] 081201[工学-计算机系统结构] 081202[工学-计算机软件与理论] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

基　　金：北京邮电大学网络与交换技术全国重点实验室开放课题资助项目(No.SKLNST-2023-1-13) 

主　　题：现场可编程门阵列 椭圆曲线 零知识证明 高层次综合 异构计算 

摘      要：目的:针对零知识证明协议纯软件部署存在的低时延、低功耗服务要求难以满足,以及硬件加速芯片协议适配性差和开发周期长的问题,提出了一种用于零知识证明的椭圆曲线点加计算流式计算架构。方法:实现了点加计算的硬件设计,对高位模运算设计了低时延、可扩展的硬件计算单元,在点加计算的各个计算阶段间规划数据流实现了流水设计,使用OpenCL与HLS,在基于FPGA的异构计算平台上,对不同规模的点乘、多标量乘法计算任务进行了软硬件协同加速。结果:在AMD Xilinx Alevo U50数据中心加速卡上,多标量乘法运算相比于AMD Ryzen 95900X(3.7 GHz)CPU单核及12核运行分别获得了41.5倍及3倍的加速比,硬件加速模块相比于纯软件方式获得了最高12.42倍的能效提升。结论:该计算架构有效提高了硬件资源利用率,降低了椭圆曲线运算时延以及功耗开销。