基于并行平台和人工智能加速器的高性能密码计算技术研究

Public key cryptography is an important cornerstone and tool for securing networks. In recent years, with the continuous rapid development of big data industry, e-commerce and cloud computing technology, the number of users, traffic and corresponding cryptographic calculations faced by various service providers are also rapidly rising. At the same time, with the drive of high-performance computing, big data and other industries, various new types of co-accelerators have achieved rapid development in recent decades, including GPUs, MIC processors, and dedicated AI accelerators. Facing this situation, researchers began to break the traditional pattern of cryptographic algorithms implemented by CPU, ASIC, and FPGA, and migrate cryptographic algorithms to various new computing platforms. However, the implementation of cryptographic algorithms on new computing platforms still has following problems: 1) the algorithms studied are antiquated; 2) lack of the research on high-performance cryptographic calculations on new computing platforms (especially dedicated AI accelerators); 3) the lack of considerations for cryptographic key security. In response to these problems, the project studies the theoretical basis and implementation technology of cryptographic algorithm implementation on parallel computing platform and AI accelerator from three aspects of high performance, high availability and high security. On the one hand, it solves the performance bottleneck of cryptographic application for practical application scenarios; on the other hand, it can provide reference for the design of cryptographic algorithms.

公钥密码技术是保障网络安全的重要基石和工具。近些年来，随着大数据行业、电子商务和云计算技术的持续快速发展，各个服务商面对的用户量、业务量和相应的密码计算量也在急速地攀升。同时，随着高性能计算、大数据等产业的驱动，各类新型加速器件在近数十年来取得了迅猛的发展，包括GPU、MIC处理器、专用AI加速器等。面向这一情况，研究人员开始打破密码算法由CPU、ASIC、FPGA实现的传统格局，将密码算法迁移到各类新型计算平台上。然而，目前在新型计算平台上的密码算法实现还存在着实现密码算法陈旧、对于新型计算平台（特别是专用AI加速器）上高性能密码计算的研究较少、对于密钥安全方面的考虑不足等问题。针对这些问题，本项目从高性能、高可用性和高安全三个方向，研究并行计算平台、AI加速器上的密码算法实现的理论基础和实现技术，一方面为实际应用场景解决密码应用的性能瓶颈问题；另一方面可为密码算法的设计提供参考。

公钥密码技术是保障网络安全的重要基石和工具，而性能问题是制约其应用的重要瓶颈。近些年来随着高性能计算、大数据等产业的驱动，研究人员开始打破密码算法由CPU、ASIC、FPGA实现的传统格局，将密码算法迁移到GPU、MIC处理器、AI加速器等各类新型计算平台上。然而，目前在新型计算平台上的密码算法实现还存在着实现密码算法陈旧、对于新型计算平台（特别是AI加速器）上高性能密码计算的研究较少、对于密钥安全方面的考虑不足等问题。. 针对这些问题，本项目提出了一系列并行计算平台、AI加速器上的密码算法实现的理论基础和实现技术，部分成果发表在高水平学术期刊和会议上，并正在相关标准、产品和项目中得到应用。首先，本项目提出一整套基于浮点数指令的公钥密码算法实现加速框架，性能是同平台整型数实现2-3倍；其次，本项目首次提出基于AI加速器的格密码算法加速框架，核心负载性能是同平台整型数实现6.47倍；再次，本项目提出了针对以上异构算力的高性能密码应用技术，使高负载安全协议的大规模应用成为了可能；最后，本项目提出了针对CPU、GPU等软件密码实现的安全增强框架，并结合产业实践对软件密码模块检测技术进行总结和探索。. 至此，本项目从高性能、高可用、高安全三个层面，都对基于并行平台和AI加速器的密码算法实现技术进行了全面、深入并卓有成效的研究，部分成果已经在国家项目、互联网企业中得到应用，具有广阔的应用前景，也可以为我国相关标准的制定奠定先进的技术基础。