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加密哈希函數(shù)在計(jì)算機(jī)安全中起著至關(guān)重要的作用，它提供了敏感數(shù)據(jù)的單向轉(zhuǎn)換。許多信息安全應(yīng)用程序都得益于使用哈希函數(shù)，特別是數(shù)字簽名、消息身份驗(yàn)證碼和其他形式的身份驗(yàn)證。哈希函數(shù)(如SHA512、SHA256、MD5等)的計(jì)算是發(fā)揮定制計(jì)算優(yōu)勢(shì)的潛在舞臺(tái)。這是源于RISC-V指令集的靈活性以及經(jīng)由Zk的擴(kuò)展指令得到加強(qiáng)，結(jié)合自定義指令中合并固有順序位操作的能力，有助于顯著提高產(chǎn)品性能。
SHA512哈希函數(shù) SHA512屬于USNS設(shè)計(jì)的“SHA-2”系列。符合FIPS標(biāo)準(zhǔn)，并已通過CMVP得到驗(yàn)證。 以下為SHA512算法的示意框圖。由于它使用1024位的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行操作，因此輸入信息被格式化并用虛擬位填充。然后，通過80個(gè)“循環(huán)”的鏈依次處理每個(gè)1024位塊。每個(gè)“循環(huán)”在很大程度上依賴于對(duì)輸入數(shù)據(jù)塊、初始化向量和一組“循環(huán)常數(shù)”的加法和循環(huán)位移位：
每個(gè)80個(gè)“循環(huán)”序列的輸出是一個(gè)512位的哈希值，作為下一個(gè)輸入數(shù)據(jù)塊的初始化向量，或者作為最后一個(gè)數(shù)據(jù)塊處理后的最終結(jié)果。 到目前為止，SHA-512仍然是許多安全協(xié)議的主力，包括TLS和SSL、PGP、SSH、S/MIME和IPsec。從算法上說，它本質(zhì)上是順序的：每個(gè)階段都需要前一階段的結(jié)果準(zhǔn)備就緒，從而防止并行計(jì)算。
RISC-V Zk擴(kuò)展指令應(yīng)用于標(biāo)量加密 RISC-V的指令集架構(gòu)(ISA)是模塊化設(shè)計(jì)，允許添加各種特定于應(yīng)用程序的擴(kuò)展。標(biāo)量加密擴(kuò)展(2022年2月)包含' Zk ' -針對(duì)AES, SM3(4)， SHA256和SHA512算法的指令子集。 此外，根據(jù)RISC-V標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)CPU核的性能、內(nèi)存占用或功耗的某些要求，允許在基準(zhǔn)指令集和正式批準(zhǔn)的可選擴(kuò)展之上添加特定于應(yīng)用程序的自定義指令。在本研究中，我們展示了在運(yùn)行SHA512時(shí)，用Codasip Studio工具實(shí)現(xiàn)的高級(jí)綜合和可重定向LLVM編譯器對(duì)優(yōu)化嵌入式內(nèi)核性能的提升。
Codasip Studio, CodAL, Zk及實(shí)現(xiàn)方式 針對(duì)SHA512哈希算法，RISC-V Zk擴(kuò)展了以下6條指令的子集。整個(gè)子集已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并包含在Codasip L31 IP核的指令集中。除此之外，還考慮了兩個(gè)自定義指令“sha512_ch”和“sha512_maj”。它們負(fù)責(zé)3個(gè)輸入操作數(shù)之間的某些位操作，在SHA512“循環(huán)”中會(huì)經(jīng)常遇到。
Codasip L31 RISC-V CPU IP核、Zk子集和自定義指令已經(jīng)用CodAL(一種用于處理器描述的高級(jí)語言)進(jìn)行了描述。與其他HDL不同，CodAL中的指令以一種緊湊而獨(dú)特的方式進(jìn)行描述，使得LLVM編譯器和Codasip高級(jí)綜合工具都可以調(diào)用指令語義。一旦完成了自定義指令的CodAL描述，Codasip Studio可以自動(dòng)生成可綜合的RTL和SDK，其中包含編譯器、調(diào)試器、指令精確和周期精確的模擬器以及可識(shí)別新指令的分析器。下面是使用CodAL的自定義“sha512_ch”指令的示例實(shí)現(xiàn): 指令體包含3個(gè)部分:匯編、二進(jìn)制和語義。前兩個(gè)定義指令語法，并將操作數(shù)、操作碼和立即數(shù)映射到指令二進(jìn)制。語義包含一系列描述指令行為的類c語句。在上述示例中，從寄存器文件中讀出3個(gè)操作數(shù)，按照一定的位操作模式計(jì)算結(jié)果，然后將其寫入目標(biāo)寄存器。 由于語義模式簡(jiǎn)單，這兩個(gè)自定義指令都由編譯器解析并在高優(yōu)化級(jí)別(-O2+)下自動(dòng)使用:
已批準(zhǔn)的Zk擴(kuò)展的指令具有更復(fù)雜的語義，它們可由生成的內(nèi)部函數(shù)直接從軟件中調(diào)用。 整個(gè)2條自定義指令集和SHA512的Zk子集只需要150行CodAL代碼。這種緊湊的描述與自動(dòng)生成的SDK一起顯著縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期和上市時(shí)間。 PPA效果: 顯著提升SHA512性能 RISC-V Zk子集和自定義指令所帶來的SHA512性能提升，我們?cè)赗ISC-V Crypto Github存儲(chǔ)庫(kù)中包含的SHA512基準(zhǔn)上進(jìn)行了評(píng)估。該基準(zhǔn)測(cè)試使用了3種不同的SDK進(jìn)行編譯： 1.標(biāo)準(zhǔn)指令集（RV32IMCB）的參考SDK 2.標(biāo)準(zhǔn)指令集 + 批準(zhǔn)的SHA512的Zk子集 3.標(biāo)準(zhǔn)指令集 + SH512 Zk子集 + 自定義指令 使用生成的周期精確的評(píng)測(cè)器對(duì)所獲得的可執(zhí)行文件進(jìn)行評(píng)測(cè)，獲得處理器在每個(gè)軟件例程中花費(fèi)的時(shí)鐘周期的詳細(xì)信息以及PPA數(shù)據(jù)。
上圖顯示，單使用Zk指令子集減少了約1.89倍的時(shí)鐘周期數(shù)和約9.7%的代碼量，顯著提高了SHA512性能，硅面積僅增加0.8%。 在Zk之上增加自定義指令帶來了進(jìn)一步的加速，將性能提高到2倍以上，將代碼量減少了10.2%，總面積僅增加了約為初始L31面積的1.6%。可以認(rèn)為這是一個(gè)合理的代價(jià)，實(shí)現(xiàn)了兩倍的性能提升。 結(jié)論 當(dāng)涉及到特定的應(yīng)用程序時(shí)，通用CPU IP核通常不可能是最理想的解決方案。有時(shí)，即使是一個(gè)看似簡(jiǎn)單的指令也會(huì)大大改變游戲規(guī)則。芯片設(shè)計(jì)人員應(yīng)該善于利用這些優(yōu)勢(shì)來設(shè)計(jì)出差異化的產(chǎn)品。由Codasip Studio提供的定制計(jì)算方案有助于利用RISC-V指令集的靈活性，通過緊湊的基于CodAL的處理器描述，幫助芯片設(shè)計(jì)人員大大縮減設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)也為芯片使用者提供豐富的可自動(dòng)生成的軟件套件。
目前RISC-V已經(jīng)有一組豐富的獲批準(zhǔn)的擴(kuò)展指令，也許您尚無法在現(xiàn)成的RISC-V CPU IP核中獲取相關(guān)方案。但是，經(jīng)由Codasip提供的技術(shù)，芯片設(shè)計(jì)人員可以便捷地集成這些指令并進(jìn)一步發(fā)展。本研究演示了8個(gè)自定義指令的實(shí)現(xiàn)：6個(gè)來自已批準(zhǔn)的Zk子集，2個(gè)基于特定算法需求。這直接將SHA512哈希計(jì)算的性能提高了兩倍，代碼量減少了10%以上。值得關(guān)注的是，CPU IP核定制計(jì)算及軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域，除了SHA512和加密算法可以因此受益外，在其他特定應(yīng)用計(jì)算領(lǐng)域也同樣發(fā)展空間巨大。 |
