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随着信息时代的发展，量子计算机逐步展现出对传统公钥密码系统的破坏性，使得依赖传统公钥密码系统的网络安全与数据信息无法得到可靠保障，迫切要求对网络及信息安全系统进行革新。后量子密码与其芯片技术是未来应对量子计算机攻击威胁的关键力量。本书首先介绍了后量子密码的研究背景、算法理论以及当前的研究现状，其次由后量子密码芯片面临的技术挑战引出了对核心算子高效硬件实现、侧信道攻击防御机制设计等关键技术的讨论，最后详细介绍了不同后量子密码芯片的设计思路与实现结果。本书的研究成果与国际后量子密码前沿技术同步，有利于我国下一代密码技术的发展，尤其是可以促进自主后量子密码的理论与应用研究，推动我国自主研制符合国际标准且具有国际竞争力的后量子密码芯片。

第1章  绪论	1
1.1  信息安全与密码体制	1
1.2  量子计算机的潜在威胁	3
1.3  后量子密码	5
1.4  基于格的后量子密码	7
参考文献	10
第2章  基于格的后量子密码算法理论	14
2.1  格理论基础	14
2.2  格难题及其在密码学中的应用	15
2.2.1  经典格难题	15
2.2.2  应用于密码学的格难题	17
参考文献	19
第3章  基于格的后量子密码芯片的研究现状与技术挑战	21
3.1  研究现状	21
3.2  技术挑战	23
3.2.1  多样化格密码方案与安全SoC芯片的适配性	23
3.2.2  核心算子的资源开销与运算性能平衡	24
3.2.3  安全IP功能可配置性需求与资源开销平衡	24
3.2.4  多层次高效侧信道攻击防御机制	25
参考文献	26
第4章  SHA-3硬件加速单元	28
4.1  SHA-3研究现状	29
4.2  SHA-3算法分析	30
4.2.1  哈希函数	30
4.2.2  参数构造	31
4.2.3  海绵结构	32
4.2.4  迭代函数	34
4.3  SHA-3算法的硬件实现	38
4.3.1  哈希函数	39
4.3.2  迭代运算模块	44
4.3.3  控制模块	44
4.3.4  截取模块	46
4.4  SHA-3电路架构优化	46
4.4.1  轮常数的简化	46
4.4.2  流水线结构	48
4.4.3  循环展开结构	49
4.5  硬件实验结果	52
参考文献	54
第5章  高斯采样器与侧信道攻击防御机制	58
5.1  侧信道攻击与防御机制分析	59
5.1.1  时间攻击	60
5.1.2  功耗分析攻击	60
5.1.3  侧信道攻击防御机制	63
5.2  高斯采样算法的性能评估	68
5.2.1  高斯采样算法分析	68
5.2.2  高斯采样器性能评估	73
5.3  具有时间攻击防御机制的 CDT高斯采样器设计	75
5.3.1  存储资源优化方案设计	75
5.3.2  具有恒定采样时间的采样步骤设计	79
5.3.3  CDT高斯采样器电路结构	81
5.3.4  时间攻击测试与硬件实现结果	82
5.4  具有SPA攻击防御机制的可配置 BS-CDT高斯采样器设计	86
5.4.1  BS-CDT高斯采样器的SPA攻击易损性分析	88
5.4.2  针对BS-CDT高斯采样器的选择输入SPA攻击方案设计	90
5.4.3  SPA攻击防御机制设计	92
5.4.4  SPA攻击测试和硬件实现结果	93
参考文献	100
第6章  数论变换单元	105
6.1  数论变换研究现状	105
6.2  数论变换理论基础	107
6.2.1  多项式乘法	107
6.2.2  数论变换	108
6.2.3  多项式乘法实现	111
6.2.4  应用于数论变换的模乘算法	114
6.3  可重构数论变换单元设计	116
6.3.1  数论变换整体架构	116
6.3.2  基本模运算器的设计	119
6.3.3  可重构蝶形运算模块设计	126
6.3.4  数论变换功能模块设计	129
6.3.5  可重构数论变换设计	133
6.4  硬件实现结果	136
参考文献	138
第7章  可重构Ring-LWE密码处理器	141
7.1  数据通路与数据存储方案设计	141
7.1.1  Ring-LWE公钥加密方案的运算流程优化设计	141
7.1.2  可配置数据通路的设计	143
7.1.3  数据存储方案设计	146
7.2  Ring-LWE密码处理器架构与微指令设计	147
7.3  硬件实现结果与对比分析	151
参考文献	155
第8章  后量子密钥交换协议芯片	157
8.1  多项式系数采样单元设计	157
8.1.1  基于流密码的PRNG方案	159
8.1.2  基于Trivium的均匀分布采样单元	161
8.1.3  基于Trivium的二项分布采样器	163
8.2  密钥交换系统架构与运算流程优化设计	164
8.3  FPGA实现结果与对比分析	167
8.4  ASIC实现与结果分析	171
参考文献	174
第9章  后量子密码Saber处理器	176
9.1  研究现状	176
9.2  Saber算法理论基础	178
9.3  Saber协处理器设计	184
9.3.1  Saber协处理器整体结构	184
9.3.2  SHA-3模块的硬件实现	186
9.3.3  二项分布采样模块	188
9.3.4  多项式乘法器	189
9.3.5  其余功能子模块	197
9.3.6  Saber协处理器指令格式	199
9.4  硬件实现结果	200
参考文献	201
第10章  后量子密码Kyber处理器	204
10.1  研究现状	204
10.2  Kyber算法理论基础	205
10.2.1  序言与注释	205
10.2.2  Kyber.PKE	206
10.2.3  Kyber.KEM	208
10.3  安全等级	210
10.4  Kyber协处理器设计	211
10.4.1  Kyber协处理器系统架构	211
10.4.2  多项式运算单元	211
10.4.3  SHA-3单元设计	223
10.4.4  采样模块设计	224
10.5  FPGA与ASIC实现结果	226
10.5.1  FPGA实现结果	226
10.5.2  ASIC实现结果与芯片版图	227
参考文献	228
第11章  总结与展望	231
11.1  本书内容总结	231
11.2  未来展望	231

“集成电路系列丛书”主编序言


培根之土 润苗之泉 启智之钥 强国之基



王国维在其《蝶恋花》一词中写道：“最是人间留不住，朱颜辞镜花辞树”，这似乎是自然界无法改变的客观规律。然而，人们还是通过各种手段，借助于各种媒介，留住了人们对时光的记忆，表达了人们对未来的希冀。
图书，尤其是纸版图书，是数量最多、使用最悠久的记录思想和知识的载体。品《诗经》，我们体验了青春萌动；阅《史记》，我们听到了战马嘶鸣；读《论语》，我们学习了哲理思辨；赏《唐诗》，我们领悟了人文风情。
尽管人们现在可以把律动的声像寄驻在胶片、磁带和芯片之中，为人们的感官带来海量信息，但是图书中的文字和图像依然以它特有的魅力，擘画着发展的总纲，记录着胜负的苍黄，展现着感性的豪放，挥洒着理性的张扬，凝聚着色彩的神韵，回荡着音符的铿锵，驰骋着心灵的激越，闪烁着智慧的光芒。
《辞海》中把书籍、期刊、画册、图片等出版物的总称定义为“图书”。通过林林总总的“图书”，我们知晓了电子管、晶体管、集成电路的发明，了解了集成电路科学技术、市场、应用的成长历程和发展规律。以这些知识为基础，自20世纪50年代起，我国集成电路技术和产业的开拓者踏上了筚路蓝缕的征途。进入21世纪以来，我国的集成电路产业进入了快速发展的轨道，在基础研究、设计、制造、封装、设备、材料等各个领域均有所建树，部分成果也在世界舞台上拥有一席之地。
为总结昨日经验，描绘今日景象，展望明日梦想，编撰“集成电路系列丛书”（以下简称“丛书”）的构想成为我国广大集成电路科学技术和产业工作者共同的夙愿。
2016年，“丛书”编委会成立，开始组织全国近500名作者为“丛书”的第一部著作《集成电路产业全书》（以下简称《全书》）撰稿。2018年9月12日，《全书》首发式在北京人民大会堂举行，《全书》正式进入读者的视野，受到教育界、科研界和产业界的热烈欢迎和一致好评。其后，《全书》英文版Handbook of Integrated Circuit Industry的编译工作启动，并决定由电子工业出版社和全球最大的科技图书出版机构之一—施普林格（Springer）合作出版发行。
受体量所限，《全书》对于集成电路的产品、生产、经济、市场等，采用了千余字“词条”描述方式，其优点是简洁易懂，便于查询和参考；其不足是因篇幅紧凑，不能对一个专业领域进行全方位和详尽的阐述。而“丛书”中的每一部专著则因不受体量影响，可针对某个专业领域进行深度与广度兼容的、图文并茂的论述。“丛书”与《全书》在满足不同读者需求方面，互补互通，相得益彰。
为更好地组织“丛书”的编撰工作，“丛书”编委会下设了12个分卷编委会，分别负责以下分卷：
☆ 集成电路系列丛书·集成电路发展史论和辩证法
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业经济学
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业管理
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业教育和人才培养
☆ 集成电路系列丛书·集成电路发展前沿与基础研究
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产品、市场与投资
☆ 集成电路系列丛书·集成电路设计
☆ 集成电路系列丛书·集成电路制造
☆ 集成电路系列丛书·集成电路封装测试
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业专用装备
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业专用材料
☆ 集成电路系列丛书·化合物半导体的研究与应用
2021年，在业界同仁的共同努力下，约有10部“丛书”专著陆续出版发行，献给中国共产党百年华诞。以此为开端，2021年以后，每年都会有纳入“丛书”的专著面世，不断为建设我国集成电路产业的大厦添砖加瓦。到2035年，我们的愿景是，这些新版或再版的专著数量能够达到近百部，成为百花齐放、姹紫嫣红的“丛书”。
在集成电路正在改变人类生产方式和生活方式的今天，集成电路已成为世界大国竞争的重要筹码，在中华民族实现复兴伟业的征途上，集成电路正在肩负着新的、艰巨的历史使命。我们相信，无论是作为“集成电路科学与工程”一级学科的教材，还是作为科研和产业一线工作者的参考书，“丛书”都将成为满足培养人才急需和加速产业建设的“及时雨”和“雪中炭”。
科学技术与产业的发展永无止境。当2049年中国实现第二个百年奋斗目标时，后来人可能在21世纪20年代书写的“丛书”中发现这样或那样的不足，但是，仍会在“丛书”著作的严谨字句中，看到一群为中华民族自立自强做出奉献的前辈们的清晰足迹，感触到他们在质朴立言里涌动的满腔热血，聆听到他们的圆梦之心始终跳动不息的声音。
书籍是学习知识的良师，是传播思想的工具，是积淀文化的载体，是人类进步和文明的重要标志。愿“丛书”永远成为培育我国集成电路科学技术生根的沃土，成为润泽我国集成电路产业发展的甘泉，成为启迪我国集成电路人才智慧的金钥，成为实现我国集成电路产业强国之梦的基因。
编撰“丛书”是浩繁卷帙的工程，观古书中成为典籍者，成书时间跨度逾十年者有之，涉猎门类逾百种者亦不乏其例：
《史记》，西汉司马迁著，130卷，526500余字，历经14年告成；
《资治通鉴》，北宋司马光著，294卷，历时19年竣稿；
《四库全书》，36300册，约8亿字，清360位学者共同编纂，3826人抄写，耗时13年编就；
《梦溪笔谈》，北宋沈括著，30卷，17目，凡609条，涉及天文、数学、物理、化学、生物等各个门类学科，被评价为“中国科学史上的里程碑”；
《天工开物》，明宋应星著，世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作，3卷18篇，123幅插图，被誉为“中国17世纪的工艺百科全书”。
这些典籍中无不蕴含着“学贵心悟”的学术精神和“人贵执着”的治学态度。这正是我们这一代人在编撰“丛书”过程中应当永续继承和发扬光大的优秀传统。希望“丛书”全体编委以前人著书之风范为准绳，持之以恒地把“丛书”的编撰工作做到尽善尽美，为丰富我国集成电路的知识宝库不断奉献自己的力量；让学习、求真、探索、创新的“丛书”之风一代一代地传承下去。

王阳元
2021年7月1日于北京燕园


“集成电路系列丛书·集成电路设计”
主编序言


集成电路是人类历史上最伟大的发明之一，六十多年的集成电路发展史实际上是一部持续创新的人类文明史。集成电路的诞生，奠定了现代社会发展的核心硬件基础，支撑着互联网、移动通信、云计算、人工智能等新兴产业的快速发展，推动人类社会步入数字时代。
集成电路设计位于集成电路产业链的最上游，对集成电路产品的用途、性能和成本起到决定性作用。集成电路设计环节既是产品定义和产品创新的核心，也是直面全球市场竞争的前线，其重要性不言而喻。党的“十八大”以来，在党中央、国务院的领导下，通过全行业的奋力拼搏，我国集成电路设计产业在产业规模、产品创新和技术进步等方面取得了长足发展，为优化我国集成电路产业结构做出了重要贡献。
为全面落实《国家集成电路产业发展推进纲要》提出的各项工作，加快推进我国集成电路设计技术和产业的发展，满足蓬勃增长的市场需求，在王阳元院士的指导下，我国集成电路设计产业的专家、学者共同策划和编写了“集成电路系列丛书·集成电路设计”分卷。“集成电路设计”分卷总结了我国近年来取得的研究成果，详细论述集成电路设计领域的核心关键技术，积极探索集成电路设计技术的未来发展趋势，以期推动我国集成电路设计产业实现从学习、追赶，到自主创新、高质量发展的战略转变。在此，衷心感谢“集成电路设计”分卷全体作者的努力和贡献，以及电子工业出版社的鼎力支持！
正如习近平总书记所言：“放眼世界，我们面对的是百年未有之大变局。”面对复杂多变的国际形势，如何从集成电路设计角度更好地促进我国集成电路产业的发展，是社会各界共同关注的问题。希望“集成电路系列丛书·集成电路设计”分卷不仅成为业界同仁展示成果、交流经验的平台，同时也能为广大读者带来一些思考和启发，从而吸引更多的有志青年投入到集成电路设计这一意义重大且极具魅力的事业中来。

魏少军
2021年7月28日于北京清华园



前    言

量子计算机数以百亿倍的计算速度革命性提升对现有依赖传统密码体制的信息安全系统带来了严峻挑战，严重威胁了信息安全。作为能抵御量子计算机攻击的新一代密码技术，后量子密码一直被视为量子计算时代下传统公钥密码系统的可靠替代。2023年8月，美国NSA、CISA和NIST组织联合发布了《量子准备：向后量子密码学过渡》报告，盘点国防/安全系统等需要优先过渡的高密级系统。后量子密码芯片是量子时代实现信息安全的基石，也是抢占新兴产业技术制高点的重要抓手。早在2016年面向全球的后量子密码标准征集工作中，基于格的后量子密码算法凭借着极强的安全性、平衡性和灵活性成为NIST标准化算法中最主要的组成部分。基于格的后量子密码芯片，属于信息安全防护的硬件级解决方案，在设计上通常需要采用软硬件协同设计技术，充分考虑资源开销与运算性能的平衡优化，并引入完备的侧信道攻击防御机制，以满足信息安全领域应用多样性、开发通用性和安全级别多元化等诸多需求。设计实现灵活性、高效性与安全性有机统一的后量子密码芯片，是未来应对量子计算机大规模商用的有效手段，能持续保障信息产业蓬勃发展，使国家处于一定的战略高度。
从“云”到“端”的信息安全需求牵引后量子密码芯片设计技术步入快速发展的轨道，在算法、架构、电路、抗攻击等多个维度的新思想、新方法层出不穷。本书全面探讨了量子密码芯片的基础理论与技术实现，深入分析和总结了当前最具有先进性、代表性的工作成果，并详细介绍了核心算子高效硬件实现、侧信道攻击防御机制设计和安全处理器架构等三大关键技术，同时给出了相关实现结果，供读者评估性能、成本和可行性。
全书分为11章：第1章是绪论，分析了当前后量子时代下，在信息安全领域部署后量子密码的必要性和可行性；第2章全面介绍了格理论、格难题和格密码算法，让读者能够快速了解后量子密码芯片的基础理论知识，为后续章节内容的探讨做好铺垫；第3章基于国际上相关领域的最新研究成果，总结了后量子密码芯片的研究现状与技术挑战，进而引出了密码方案与安全SoC芯片的适配性、资源开销与运算性能及侧信道安全性的设计需求；第4章详细介绍了后量子密码中广泛使用的SHA-3（Secure Hash Algorithm 3，第三代安全散列算法）及其硬件加速单元的设计方法，涵盖了流水线分割、循环展开等电路优化策略；第5章以后量子密码芯片中高斯采样器为攻击对象，深入剖析了时间攻击、功耗分析攻击等常见侧信道攻击的特点，介绍了如何设计有效的电路结构来构建防御机制；第6章介绍了后量子密码重要的核心算子—数论变换，并以底层的模运算和多项式运算为算法模型，逐步介绍了从模乘法器到蝶形运算单元，再到可重构数论变换单元的设计思路；第7章重点介绍了在满足灵活性的设计目标下，从数据通路、数据存储方案和微指令等三个方面入手设计Ring-LWE密码处理器的方法和过程；第8章从FPGA原型系统到ASIC实现的角度介绍了后量子密钥交换协议NewHope-Simple的高效硬件实现；第9章、第10章分别阐述了实现后量子密码算法Saber和CRYSTALS-Kyber的安全协处理器架构；第11章总结全书并展望了后量子密码芯片设计的未来发展方向。
我们希望通过本书与国内同行一起分享和探讨后量子密码芯片的创新研究成果，共享后量子密码技术给信息安全领域带来的巨大发展机遇，促进我国自主的后量子密码算法理论和应用研究，共同推动我国后量子密码芯片产业的崛起与发展。
本书相关资料的收集整理和相关研究成果的取得凝聚了华中科技大学集成电路学院后量子密码研究团队近几年的集体智慧与汗水，特别感谢众多的博士和硕士研究生，包括陆家昊、刘子龙、李奥博、陈宇阳、陈勇、刘星杰、赵文定、黄天泽、杨朔、李翔等，他们在读期间为后量子密码芯片技术的研究和发展以及本书的最终完成做了大量辛勤的工作。
我们在撰写本书的过程中力图精益求精，却也难免存在疏漏之处，敬请读者指正和谅解。

作  者
2023年12月

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