抗量子密碼晶元-跨數學難題的動態重構架構設計 9787302690559 劉雷波 朱文平 朱益宏等

內容簡介
抗量子密碼晶片是實現傳統公開金鑰密碼向抗量子攻擊密碼體系過渡、實現量子計算時代資料與資訊安全的基礎。本書首先在對抗量子密碼演算法概念與標準化進展進行介紹的情況下，闡述抗量子攻擊密碼晶片的設計挑戰與研究現狀。隨後，在對主流抗量子密碼演算法進行介紹的基礎上，分別在計算架構、運算電路、編譯技術與物理安全防護等角度討論如何設計實現兼顧能量效率、功能靈活性與物理安全性的抗量子密碼晶片。最後，本書對未來抗量子密碼晶片設計領域出現的高能效計算、面向安全設計等新的技術方向進行了展望與分析。
本書面向資訊安全、密碼晶片與物理安全專業領域的本科生、研究生閱讀，同樣適用於相關領域的技術從業人員參考。

作者簡介
劉雷波，清華大學長聘教授、博士生導師，教育部長江學者特聘教授，國家級一流本科課程負責人。
長期從事軟體定義晶片、硬體安全和密碼晶片、VLSI數位信號處理等的研究工作。發表高水準論文300餘篇、授權發明專利150余項（美國專利20余項）、撰寫著作9部/譯作4部、參與制定國家標準1項。；電子設計自動化領域頂級會議DAC的TPC委員，密碼硬體領域頂級會議CHES的TPC委員，固態電路一流會議IEEE A-SSCC的大會主席等；中國密碼學會密碼晶片專委會副主任委員；ISO/IECJTC1/SC27 國際標準註冊專家。獲國家技術發明二等獎、中國專利金獎、教育部技術發明一等獎、中國電子學會技術發明一等獎、世界互聯網大會15項世界互聯網領先科技成果等科技獎勵。
主持3門課， 獲首批國家級一流本科課程、清華大學本科生精品課、北京市青年教師教學競賽一等獎、清華大學青年教師教學競賽一等獎、清華大學青年教師教學優勝獎、MOOC教學先鋒獎等多個教學獎勵。所負責的大規模網路開放課程（MOOC）入選首批教育部高校線上教學國際平臺。

目錄

第1章 緒論
1 1 抗量子攻擊密碼概述
1 1 1 抗量子密碼的產生背景
1 1 2 抗量子密碼演算法的標準化現狀
1 1 3 抗量子密碼遷移的緊迫性
1 2 標準化過程中的抗量子密碼硬體加速技術
1 2 1 指令驅動的通用處理器實現
1 2 2 可程式設計邏輯器件FPGA
1 3 抗量子密碼晶片的需求與挑戰
參考文獻
第2章 抗量子密碼演算法
2 1 基於格的抗量子密碼演算法
2 1 1 密碼演算法介紹
2 1 2 演算法計算特性分析
2 2 基於編碼的抗量子密碼演算法
2 2 1 密碼演算法介紹
2 2 2 演算法計算特性分析
2 3 基於雜湊的抗量子密碼演算法
2 3 1 “SPHINCS+”演算法
2 3 2 演算法計算特性分析
2 4 其他抗量子密碼演算法
2 4 1 基於超奇異同源的抗量子密碼演算法及特性分析
2 4 2 基於多變數的抗量子密碼演算法及特性分析
2 5 密碼核心功能的高效實現演算法
2 5 1 高效乘Karatsuba演算法
2 5 2 高效乘TOOM-COOK演算法
2 5 3 高效乘NTT演算法
2 5 4 擴展歐幾裡得求逆演算法
參考文獻
第3章 抗量子密碼晶片架構
3 1 抗量子密碼晶片設計空間
3 2 基於指令集擴展的抗量子密碼晶片架構
3 2 1 MIT Sapphire
3 2 2 TUM RISQ-V
3 3 面向特定演算法的全定制硬體加速架構
3 3 1 面向基於格的密碼演算法的全定制硬體設計
3 3 2 面向基於編碼的密碼演算法的全定制硬體設計
3 3 3 面向基於雜湊演算法的全定制硬體設計
3 4 粗細微性可重構抗量子密碼晶片架構
3 4 1 可重構抗量子密碼晶片RePQC
3 4 2 可重構抗量子密碼晶片QPu
參考文獻
第4章 晶片資料通路
4 1 公開金鑰密碼晶片的資料通路
4 1 1 經典公開金鑰密碼資料通路
4 1 2 抗量子公開金鑰密碼資料通路
4 2 算術/邏輯計算單元
4 2 1 基於NTT的多項式計算
4 2 2 基於Karatsuba的多項式計算
4 2 3 其他任務級模組
4 2 4 存儲映射方式
4 3 資料採樣與對齊模組
4 3 1 均勻分佈和拒絕採樣模組
4 3 2 離散高斯分佈和離散高斯採樣模組
4 3 3 二項分佈和二項採樣模組
4 3 4 隨機首碼和恒定時間排序模組
4 3 5 Fisher-Yates演算法及其模組
4 3 6 對齊模組
參考文獻
第5章 晶片編譯映射系統
5 1 通用編譯技術
5 2 開源編譯器框架LLVM
5 2 1 基於LLVM編譯器的高級設計架構
5 2 2 LLVM IR概述
5 2 3 LLVM後端
5 2 4 LLVM工作流程總結
5 3 面向密碼應用的編譯技術
5 3 1 構建領域定制加速的自動化編譯器
5 3 2 伽羅瓦域加速處理器的混合編譯
5 3 3 面向粗細微性CGRA的動態編譯器
5 4 抗量子密碼晶片的編譯框架
5 4 1 任務運算元層面
5 4 2 密碼演算法層面
5 4 3 領域定制的硬體模組層面
5 5 抗量子密碼晶片的編譯框架實現
5 5 1 使用者語言設置
5 5 2 編譯、任務調度
5 5 3 位址映射
5 5 4 LLVM實現
5 5 5 工作展望
5 6 本章 總結
參考文獻
第6章 晶片物理安全設計
6 1 抗量子密碼晶片的物理安全威脅
6 1 1 側通道攻擊與故障注入攻擊
6 1 2 對金鑰封裝機制的側通道攻擊
6 1 3 對金鑰封裝機制的故障注入攻擊
6 1 4 對數位簽章 的側通道攻擊
6 1 5 對數位簽章 的故障注入攻擊
6 2 抗量子密碼晶片的物理安全防護設計
6 2 1 側通道攻擊經典防護方法
6 2 2 故障注入攻擊經典防護方法
6 2 3 抗量子密碼的物理安全防護挑戰
6 2 4 基於動態重構的物理安全防護機制
參考文獻
第7章 未來趨勢展望
7 1 抗量子密碼演算法的演進和趨勢
7 1 1 抗量子密碼演算法演進
7 1 2 抗量子密碼演算法發展趨勢
7 1 3 抗量子密碼的應用
7 2 抗量子密碼晶片的發展趨勢
7 2 1 可遷移抗量子密碼晶片
7 2 2 高能效抗量子密碼晶片設計
7 2 3 面向物理安全的密碼晶片設計
參考文獻

後記

前言/序言
密碼事關政治、經濟、國防和資訊安全，是保護黨和國家根本利益的國之重器。近年來，量子電腦技術飛速發展，對傳統的公開金鑰密碼演算法及協定體系的安全性造成了顛覆性的影響，與經典電腦相容、具備抵抗量子計算攻擊能力的抗量子密碼應運而生。2016年，美國國家標準與技術研究院（NIST）率先啟動了抗量子密碼演算法競賽，經過三輪評選，NIST選定了4種抗量子公開金鑰密碼演算法進行標準化，並在持續徵集新的密碼演算法。2018年，中國密碼學會啟動了全國密碼演算法設計競賽，並於2020年1月公佈了獲勝的抗量子密碼演算法； 2025年，我國商用密碼標準研究院發起了新一代商用密碼演算法徵集活動，來推動我國抗量子密碼演算法的標準化建設。歐盟、英國、澳大利亞、日本等國家和地區也在積極推動抗量子密碼演算法的標準化工作。隨著抗量子密碼演算法標準的陸續發佈，世界各主要國家也已經啟動了抗量子密碼演算法的遷移工作，為應對量子電腦帶來的巨大安全威脅做準備。
2006年起，著者團隊開始研究動態可重構計算晶片。2009年，我們嘗試基於動態可重構技術開展密碼處理器設計，經過6~7年的努力，研製出能夠兼顧能量效率、功能靈活性和物理安全性的密碼處理器晶片，這是其他傳統技術方案難以實現的。2017年，我們對這項研究工作進行了總結，撰寫了《可重構計算密碼處理器》一書，並得以出版，隨後，該書的英文版Reconfigurable Cryptographic Processor在施普林格出版社出版。2019年，我們對這項智慧財產權進行了轉化，創立了無錫沐創積體電路設計有限公司，依託該公司，我們實現了技術的產業化應用，目前，無錫沐創積體電路設計有限公司已經發展成為我國密碼晶片領域重要的民營企業之一。2016年，我們注意到抗量子密碼演算法的發展，由於抗量子密碼演算法正在持續演進，且演算法的複雜度要遠高於傳統的公開金鑰密碼演算法，抗量子密碼晶片想要兼顧能量效率、功能靈活性（特別是對持續推出的新演算法的有效支援）和物理安全性將更加困難，但考慮到量子電腦對資訊安全帶來的潛在威脅，我們果斷將研究重點轉向了動態可重構抗量子密碼晶片的研究，在國家重點研發計畫專案、國家自然科學基金面上項目等國家計畫的持續支持下，經過近十年的努力，我們先後攻克了功能靈活的高能效抗量子密碼晶片架構設計、敏捷公開金鑰密碼計算通路設計、自我調整物理安全防護機制等多項關鍵技術，並聯合無錫沐創積體電路設計有限公司研發了兩款商用的抗量子密碼晶片，在此過程中，我們陸續將研究工作發表在ISSCC、CHES、HOST等會議上，其中，發表在ISSCC 2022的論文介紹了團隊研發的全球首款支持多個數學難題的抗量子密碼晶片，發表在ISSCC 2024的論文介紹了團隊研發的全球首款能夠支援國內外主流抗量子密碼方案的晶片，我們的研究工作也獲得了國內外同行的認可，張能博士于2023年獲評中國密碼學會優秀博士論文獎（該學會首篇晶片方向優博），朱益宏博士于2024年獲評IEEE固態電路學會博士生成就獎（全球每年評20餘人），並有多位團隊成員受邀擔任CHES和ISSCC的TPC委員。
本書共分為7章 。第1章 首先介紹抗量子密碼演算法的概念、標準化進展及抗量子密碼遷移的緊迫性，接下來進一步總結標準化過程中抗量子密碼晶片現狀並討論抗量子密碼晶片所面臨的設計挑戰。第2章 對主流的抗量子密碼演算法的數學原理進行分析，並重點討論核心計算模組的高效計算方法。第3章 對當前領域定制抗量子密碼晶片研究進行介紹，並在此基礎上闡述粗細微性可重構抗量子密碼晶片架構的設計方法。第4章 從抗量子密碼核心計算功能出發，介紹具體的電路級可重構設計方法。第5章 從軟體映射的角度解釋如何在單一硬體架構上實現對多種抗量子密碼演算法的高效映射與優化。第6章 從物理安全設計的角度分析目前抗量子密碼晶片所面臨的一系列側通道攻擊威脅，以及相應的防護方法。第7章 對具有抗量子攻擊屬性的密碼演算法發展趨勢和晶片技術發展趨勢進行展望。
本書凝聚了清華大學硬體安全與密碼晶片實驗室近十年的科研成果，並總結了國內外最新的研究進展，力爭向讀者完整地介紹抗量子密碼晶片的技術體系和發展趨勢。感謝朱文平、朱益宏、楊博翰、趙燦坤、陳相任、盧思佳、王漢甯、趙琪、劉江雪、孫駿文、趙航、龔新勝、張燃、彭碩航、歐陽屹、楊明遠、張佳男、張能、李重陽、戴彤蔚等同事和同學的持續努力。感謝魏少軍教授對本書撰寫工作的指導。最後，還要感謝我的愛人和孩子們對我工作的理解和寬容，你們的愛是我前進的重要動力！
本書得到國家重點研發計畫專案（No 2023YFB4403500）和國家自然科學基金專案（No 62274102）的支持！
劉雷波
2025年3月于清華園

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