后量子密码CRYSTALS-Dilithium的高性能实现

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64.1us、304.0us和59.4us,相比同平台的硬件协处理器，全流程速度提升约69%.

关键词

后量子密码学 / 数字签名 / 多项式乘法器 / 数论变换

基金资助

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