Several algorithms for Public Key Cryptography (PKC), such as RSA, Diffie-Hellman, and Elliptic Curve Cryptography, require modular multiplication of very large operands (sizes from 160 to 4096 bits) as their core arithmetic operation. To perform this operation reasonably fast, general purpose processors are not always the best choice. This is why specialized hardware, in the form of cryptographic co-processors, become more attractive. Based upon the analysis of recent publications on hardware design for modular multiplication, this M.S. thesis presents a new architecture that is scalable with respect to word size and pipelining depth. To our knowledge, this is the first time a word based algorithm for Montgomery's method is realized using high-radix bit-parallel multipliers working with two different types of finite fields (unified architecture for GF(p) and GF(2n)). Previous approaches have relied mostly on bit serial multiplication in combination with massive pipelining, or Radix-8 multiplication with the limitation to a single type of finite field. Our approach is centered around the notion that the optimal delay in bit-parallel multipliers grows with logarithmic complexity with respect to the operand size n, O(log3/2 n), while the delay of bit serial implementations grows with linear complexity O(n). Our design has been implemented in VHDL, simulated and synthesized in 0.5μ CMOS technology. The synthesized net list has been verified in back-annotated timing simulations and analyzed in terms of performance and area consumption.

Para beneficiarse de una reducción en la latencia así como disminuir tanto el consumo como el coste, el número óptimo de puertos de un conmutador ha ido aumentando a lo largo del tiempo. Sin embargo, las arquitecturas tradicionales se han quedado atrás bien por bajo rendimiento o bien por problemas de escalabilidad con el número de puertos. En esta Tesis se propone una nueva arquitectura de conmutador válida para conmutadores de elevado grado llamada Partitioned Crossbar Input Queued (PCIQ). Esta arquitectura resuelve el problema de los excesivos requerimientos de memoria en el diseño de arquitecturas de elevado grado. Además PCIQ define una nueva familia de arquitecturas de conmutador. PCIQ se basa en un particionado inteligente del crossbar, dividiéndolo en sub-crossbars, requiriendo menos recursos de memoria que las otras propuestas para conmutadores de elevado grado y que consigue una mayor eficiencia debido en parte a un incremento en la eficiencia de los árbitros empleados en el diseño. En este sentido, PCIQ emplea dos árbitros con prioridad rotativa (uno para cada sub-crossbar) que presentan un coste lineal y una respuesta en el tiempo logarítmica conforme aumenta el número de puertos del conmutador. Además PCIQ tiene un coste (medido en términos de requerimientos de memoria, complejidad del crossbar y complejidad en el arbitraje) similar o incluso menor que organizaciones básicas como CIOQ. No obstante PCIQ es capaz de conseguir máxima eficiencia para distribuciones de tráfico uniforme. El bloqueo por paquete al principio de cola (o HOL en inglés) reduce dramáticamente el rendimiento del conmutador. Las soluciones tradicionales para eliminar el bloqueo por HOL no son escalables con el número de puertos o requieren arquitecturas complejas. En esta Tesis se propone una técnica de control de la congestión que elimina el bloqueo por HOL llamada RECN-IQ. RECN-IQ está diseñada para conmutadores con memorias sólo a la entrada y es una técnica altamente eficiente / Mora Porta, G. (2009). High-performance architectures for high-radix switches [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/4335

Esta tese estuda a utilização da aritmética computacional para criptografia de chave pública (PKC Public-Key Cryptography) e investiga alternativas ao nível da arquitetura de sistema criptográfico em hardware que podem conduzir a uma redução no consumo de energia, considerando o baixo consumo de potência e o alto desempenho em dispositivos portáteis com energia limitada. A maioria desses dispositivos é alimentada por bateria. Embora o desempenho e a área de circuitos consistem desafios para o projetista de hardware, baixo consumo de energia se tornou uma preocupação em projetos de sistema críticos. A criptografia de chave pública é baseada em funções aritméticas como a exponenciação e multiplicação módulo. PKC prove um esquema de troca de chaves autenticada por meio de uma rede insegura entre duas entidades e fornece uma solução de grande segurança para a maioria das aplicações que devem trocar informações sensíveis. Multiplicação em módulo é largamente utilizada e essa operação aritmética é mais complexa porque os operandos são números extremamente grandes. Assim, métodos computacionais para acelerar as operações, reduzir o consumo de energia e simplificar o uso de tais operações, especialmente em hardware, são sempre de grande valor para os sistemas que requerem segurança de dados. Hoje em dia, um dos mais bem sucedidos métodos de multiplicação em módulo é a multiplicação de Montgomery. Os esforços para melhorar este método são sempre de grande importância para os projetistas de hardware criptográfico e de segurança em sistemas embarcados. Esta pesquisa trata de algoritmos para criptografia de baixo consumo de energia. Abrange as operações necessárias para implementações em hardware da exponenciação e da multiplicação em módulo. Em particular, esta tese propõe uma nova arquitetura para a multiplicação em módulo chamado \"Parallel k-Partition Montgomery Multiplication\" e um projeto inovador em hardware para calcular a exponenciação em módulo usando o sistema numérico por resíduos (RNS). / This thesis studies the use of computer arithmetic for Public-Key Cryptography (PKC) and investigates alternatives on the level of the hardware cryptosystem architecture that can lead to a reduction in the energy consumption by considering low power and high performance in energy-limited portable devices. Most of these devices are battery powered. Although performance and area are the two main hardware design goals, low power consumption has become a concern in critical system designs. PKC is based on arithmetic functions such as modular exponentiation and modular multiplication. It produces an authenticated key-exchange scheme over an insecure network between two entities and provides the highest security solution for most applications that must exchange sensitive information. Modular multiplication is widely used, and this arithmetic operation is more complex because the operands are extremely large numbers. Hence, computational methods to accelerate the operations, reduce the energy consumption, and simplify the use of such operations, especially in hardware, are always of great value for systems that require data security. Currently, one of the most successful modular multiplication methods is Montgomery Multiplication. Efforts to improve this method are always important to designers of dedicated cryptographic hardware and security in embedded systems. This research deals with algorithms for low-power cryptography. It covers operations required for hardware implementations of modular exponentiation and modular multiplication. In particular, this thesis proposes a new architecture for modular multiplication called Parallel k-Partition Montgomery Multiplication and an innovative hardware design to perform modular exponentiation using Residue Number System (RNS).

Esta tese estuda a utilização da aritmética computacional para criptografia de chave pública (PKC Public-Key Cryptography) e investiga alternativas ao nível da arquitetura de sistema criptográfico em hardware que podem conduzir a uma redução no consumo de energia, considerando o baixo consumo de potência e o alto desempenho em dispositivos portáteis com energia limitada. A maioria desses dispositivos é alimentada por bateria. Embora o desempenho e a área de circuitos consistem desafios para o projetista de hardware, baixo consumo de energia se tornou uma preocupação em projetos de sistema críticos. A criptografia de chave pública é baseada em funções aritméticas como a exponenciação e multiplicação módulo. PKC prove um esquema de troca de chaves autenticada por meio de uma rede insegura entre duas entidades e fornece uma solução de grande segurança para a maioria das aplicações que devem trocar informações sensíveis. Multiplicação em módulo é largamente utilizada e essa operação aritmética é mais complexa porque os operandos são números extremamente grandes. Assim, métodos computacionais para acelerar as operações, reduzir o consumo de energia e simplificar o uso de tais operações, especialmente em hardware, são sempre de grande valor para os sistemas que requerem segurança de dados. Hoje em dia, um dos mais bem sucedidos métodos de multiplicação em módulo é a multiplicação de Montgomery. Os esforços para melhorar este método são sempre de grande importância para os projetistas de hardware criptográfico e de segurança em sistemas embarcados. Esta pesquisa trata de algoritmos para criptografia de baixo consumo de energia. Abrange as operações necessárias para implementações em hardware da exponenciação e da multiplicação em módulo. Em particular, esta tese propõe uma nova arquitetura para a multiplicação em módulo chamado \"Parallel k-Partition Montgomery Multiplication\" e um projeto inovador em hardware para calcular a exponenciação em módulo usando o sistema numérico por resíduos (RNS). / This thesis studies the use of computer arithmetic for Public-Key Cryptography (PKC) and investigates alternatives on the level of the hardware cryptosystem architecture that can lead to a reduction in the energy consumption by considering low power and high performance in energy-limited portable devices. Most of these devices are battery powered. Although performance and area are the two main hardware design goals, low power consumption has become a concern in critical system designs. PKC is based on arithmetic functions such as modular exponentiation and modular multiplication. It produces an authenticated key-exchange scheme over an insecure network between two entities and provides the highest security solution for most applications that must exchange sensitive information. Modular multiplication is widely used, and this arithmetic operation is more complex because the operands are extremely large numbers. Hence, computational methods to accelerate the operations, reduce the energy consumption, and simplify the use of such operations, especially in hardware, are always of great value for systems that require data security. Currently, one of the most successful modular multiplication methods is Montgomery Multiplication. Efforts to improve this method are always important to designers of dedicated cryptographic hardware and security in embedded systems. This research deals with algorithms for low-power cryptography. It covers operations required for hardware implementations of modular exponentiation and modular multiplication. In particular, this thesis proposes a new architecture for modular multiplication called Parallel k-Partition Montgomery Multiplication and an innovative hardware design to perform modular exponentiation using Residue Number System (RNS).

Το αριθμητικό σύστημα υπολοίπων (RNS) έχει προταθεί ως ένας τρόπος για επιτάχυνση των αριθμητικών πράξεων του πολλαπλασιασμού και της πρόσθεσης. Ένα από τα σημαντικά πλεονεκτήματα της χρήσης του RNS είναι ότι οδηγεί σε κυκλώματα που έχουν το χαρακτηριστικό της χαμηλής κατανάλωσης. Πιο συγκεκριμένα στην παρούσα διατριβή γίνεται μια αναλυτική μελέτη πάνω στην ταχύτητα διεξαγωγής της πράξης του πολλαπλασιασμού και της άθροισης. Ο λόγος που γίνεται αυτό είναι διότι οι εφαρμογές επεξεργασίας σήματος χρησιμοποιούν ιδιαιτέρως τις προαναφερθείσες πράξεις. Επίσης γίνεται μελέτη της ισχύος που καταναλώνεται κατά την επεξεργασία ενός σήματος με τη χρήση των προτεινόμενων αριθμητικών κυκλωμάτων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη χρήση απλών αρχιτεκτονικών τις οποίες μπορούν τα εργαλεία σύνθεσης να διαχειριστούν καλύτερα παράγοντας βέλτιστα κυκλώματα. Τέλος η διατριβή μελετά τα προβλήματα διακύμανσης των παραμέτρων του υλικού που αντιμετωπίζει η σύγχρονη τεχνολογία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Συγκεκριμένα σε τεχνολογία μικρότερη των 90nm παρατηρείται το φαινόμενο ίδια στοιχεία κυκλώματος να συμπεριφέρονται με διαφορετικό τρόπο. Το φαινόμενο αυτό γίνεται σημαντικά πιο έντονο σε τεχνολογίες κάτω των 45nm. Η παρούσα διατριβή προτείνει λύσεις βασισμένες στην παραλληλία και την ανεξαρτησία των επεξεργαστικών πυρήνων που παρέχει το RNS, για να αντιμετωπίσει το συγκεκριμένο φαινόμενο. / The Residue Number System (RNS) has been proposed as a means to speed up the implementation of multiplication-addition intensive applications, commonly found in DSP. The main benefit of RNS is the inherent parallelism, which has been exploited to build efficient multiply-add structures, and more recently, to design low-power systems. In particular, this dissertation deals with the delay complexity of the multiply-add operation (MAC). The reason for this is that DSP applications are MAC intensive and hence this dissertation proposes solutions to increase the speed of processing. Furthermore, the study of the multiply-add operations is extended to power consumption matters. The dissertation focus on simple architectures such that EDA tools produce efficient in both power and delay, synthesized circuits. Finally the dissertation deals with variability matters that came up as the vlsi technology shrinks below 90nm. Variability becomes unaffordable especially for the 45nm technology node. This dissertation proposes solutions based on parallelism and the independence of the RNS cores to derive variation-tolerant architectures.