Hardware acceleration for post-quantum cryptography in resource constrained embedded systems with RISC-V ISEs

Abstract

O iminente alvorecer da computação quântica apresenta ameaças a algoritmos criptográficos usados na atualidade para troca de chaves, como Diffie-Hellman, RSA e construções baseadas em Curvas Elípticas (ECC), por meio do algoritmo de Shor. Como resposta a estes desafios, o National Institute for Standard and Technology (NIST), órgão responsável pela padronização de algoritmos criptográficos nos Estados Unidos, iniciou uma competição para algoritmos de troca de chaves que apresentam resistência a ataques clássicos e quânticos. Em julho de 2022, o algoritmo Crystals-Kyber foi anunciado como vencedor dessa competição, sendo padronizado sob o nome ML-KEM. Implementações de tais algoritmos visando sistemas embarcados com poucos recursos computacionais são consideradas um problema em aberto, visto que há poucos trabalhos na literatura que exploram soluções os mesmos. Esse trabalho visa explorar aceleração em hardware por meio de instruções especializadas (ISEs) em um processador RISC-V de baixa complexidade em uma avaliação considerando desempenho, consumo de energia e memória, assim como custos em área, almejando obter uma implementação eficiente de um sistema criptográfico resistente a eventuais ataques ocasionados pela computação quântica, aderindo a padrões e algoritmos modernos. Além da exploração do algoritmo Kyber, também são avaliados al goritmos para funções resumo (hash functions) e criptografia simétrica autenticada (AEAD), sendo medidos os ganhos devido ao uso de ISEs para essas finalidades. Sucintamente, os ganhos medidos para funções resumo são de 32%, 38% e 16% em desempenho, gastos de energia e de memória, respectivamente. Para AEAD, os ganhos são de 58%, 61% e 35% em desempenho, gastos de energia e de memória, respectivamente. O custo em área é de 10% da área do processador Ibex base ou 4K portas lógicas equivalentes. A aceleração em hardware de primitivas simétricas (e.g. SHA-3) dentro do algoritmo Kyber implicam em ganhos de desempenho e energia de 32% cada. Combinando aceleração das primitivas simétricas e uma nova ISE proposta nesse trabalho chamada XKyber, ganhos adicionais de 46% and 44% em desempenho e gasto de energia são observados, além de uma redução no tamanho de código de 15%. O custos em área devido a ISE XKyber é novamente de 10% da área do processador base.