Arquitectura Compacta y de Baja Latencia Basada en FPGA para la Transformada Teórica de Números en el Esquema de Criptografía Postcuántica CRYSTALS Kyber
Autores: Kieu-Do-Nguyen, Binh; The Binh, Nguyen; Pham-Quoc, Cuong; Nghi, Huynh Phuc; Tran, Ngoc-Thinh; Hoang, Trong-Thuc; Pham, Cong-Kha
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Arquitectura Compacta y de Baja Latencia Basada en FPGA para la Transformada Teórica de Números en el Esquema de Criptografía Postcuántica CRYSTALS Kyber
Categoría
Gestión y administración
Subcategoría
Gestión de la tecnología y la inovación
Palabras clave
Computadoras cuánticas
Criptografía postcuántica
Criptografía basada en retículos
Multiplicación polinómica
Transformada teórica de números
FFT
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
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En la era moderna del Internet de las Cosas (IoT), especialmente con el rápido desarrollo de los ordenadores cuánticos, la implementación de algoritmos de criptografía postcuántica en numerosos terminales les permite defenderse contra posibles amenazas de ataques cuánticos futuros. La criptografía basada en retículos puede resistir ataques de computación cuántica, lo que la convierte en un sustituto viable de la técnica de criptografía de clave pública clásica actualmente prevalente. Sin embargo, la significativa complejidad temporal del algoritmo impone una carga computacional sustancial en el chip ya limitado en recursos del terminal IoT. En los algoritmos de criptografía basada en retículos, la multiplicación polinómica en el campo finito es bien conocida como el proceso más que consume más tiempo. Por lo tanto, las investigaciones sobre métodos eficientes para calcular la multiplicación polinómica son esenciales para adoptar estos algoritmos basados en retículos resistentes a cuántica en un terminal IoT de bajo perfil. La transformación teórica de números (NTT), una variante de la transformación rápida de Fourier (FFT), es una técnica ampliamente empleada para acelerar la multiplicación polinómica en el campo finito y lograr una complejidad temporal subcuadrática. Este estudio presenta una implementación eficiente basada en FPGA de la transformación teórica de números para el CRYSTAL Kyber, un algoritmo de criptografía de clave pública basado en retículos. Nuestro diseño híbrido, que soporta tanto NTT directa como inversa, puede funcionar a altas frecuencias de hasta 417 MHz en un Artix7-XC7A100T de bajo perfil y lograr una baja latencia de 1.10s mientras alcanza una eficiencia de hardware de vanguardia, consumiendo solo 541-LUTs, 680 FFs y cuatro BRAMs de 18 Kb. Esto es posible gracias a la nueva arquitectura de unidad mariposa de tuberías multinivel propuesta en combinación con un patrón de acceso a coeficientes efectivo.
Descripción
En la era moderna del Internet de las Cosas (IoT), especialmente con el rápido desarrollo de los ordenadores cuánticos, la implementación de algoritmos de criptografía postcuántica en numerosos terminales les permite defenderse contra posibles amenazas de ataques cuánticos futuros. La criptografía basada en retículos puede resistir ataques de computación cuántica, lo que la convierte en un sustituto viable de la técnica de criptografía de clave pública clásica actualmente prevalente. Sin embargo, la significativa complejidad temporal del algoritmo impone una carga computacional sustancial en el chip ya limitado en recursos del terminal IoT. En los algoritmos de criptografía basada en retículos, la multiplicación polinómica en el campo finito es bien conocida como el proceso más que consume más tiempo. Por lo tanto, las investigaciones sobre métodos eficientes para calcular la multiplicación polinómica son esenciales para adoptar estos algoritmos basados en retículos resistentes a cuántica en un terminal IoT de bajo perfil. La transformación teórica de números (NTT), una variante de la transformación rápida de Fourier (FFT), es una técnica ampliamente empleada para acelerar la multiplicación polinómica en el campo finito y lograr una complejidad temporal subcuadrática. Este estudio presenta una implementación eficiente basada en FPGA de la transformación teórica de números para el CRYSTAL Kyber, un algoritmo de criptografía de clave pública basado en retículos. Nuestro diseño híbrido, que soporta tanto NTT directa como inversa, puede funcionar a altas frecuencias de hasta 417 MHz en un Artix7-XC7A100T de bajo perfil y lograr una baja latencia de 1.10s mientras alcanza una eficiencia de hardware de vanguardia, consumiendo solo 541-LUTs, 680 FFs y cuatro BRAMs de 18 Kb. Esto es posible gracias a la nueva arquitectura de unidad mariposa de tuberías multinivel propuesta en combinación con un patrón de acceso a coeficientes efectivo.