Kogge-Stone加法器优化的双域高效模乘器设计

"基于Kogge-Stone加法器改进的双域模乘器用于椭圆曲线密码算法，旨在提高运算速度和硬件资源利用率。通过结合可重构技术，设计了一个能够处理素数域GF(p)和二元域GF(2m)模乘运算的模乘器，使用Verilog VHDL语言进行描述，并采用0.18 μm CMOS工艺实现。实验结果显示，该模乘器具有476 MHz的最大时钟频率，占用66518个门电路，256位模乘运算只需0.27 μs。" 本文主要探讨的是在密码学领域，尤其是椭圆曲线密码算法中的关键运算组件——模乘器的优化设计。模乘运算在椭圆曲线密码处理器中占据核心地位，因为它直接影响到算法的执行速度和整体性能。传统的模乘算法如模除运算复杂且耗时，而模加减则相对简单。因此，提升模乘运算的效率至关重要。 文章中提出的方法是基于Kogge-Stone加法器结构的改进，这种加法器以其并行处理和低延迟特性被广泛应用于高速计算。Kogge-Stone加法器结合了进位保留加法器（Carry-Save Adder，CSA）和进位选择加法器（Carry-Select Adder，CSA），可以有效地减少进位传播的时间，从而提高加法运算的速度。在此基础上，通过可重构技术，设计出一个双域模乘器，能够适应不同的域，如素数域GF(p)和二元域GF(2m)，实现模乘运算的通用性。 利用Verilog VHDL这一硬件描述语言进行RTL级描述，使得设计能够被转化为具体的硬件电路。0.18 μm CMOS工艺标准单元库的应用确保了设计的物理实现和高性能。实验结果证明，所提出的双域模乘器具有较高的时钟频率（476 MHz），并在硬件资源效率方面表现出色，只需要66518个门电路就能完成256位模乘运算，所需时间仅为0.27 μs，这对于椭圆曲线密码处理器的性能提升有着显著的贡献。 此外，文章对比了其他模乘器设计，如文献[1]中的统一MALU单元，虽然具有高复用率和扩展性，但随着位宽增加可能存在性能瓶颈；文献[2]通过64位基4 Kogge-Stone加法器实现的DFA在运算时间上有优势，但硬件资源占用较多；而文献[3]提出的改进Radix-4模乘算法虽有较小面积，但运算速度不理想。相比之下，本文的设计兼顾了运算速度和资源效率，是一个平衡优化的解决方案。 基于Kogge-Stone加法器改进的双域模乘器是椭圆曲线密码算法硬件加速的关键技术，它通过高效的加法器结构和可重构设计，实现了在不同域下的快速模乘运算，对于提高密码处理器的整体性能具有重要价值。这种设计方法不仅适用于当前的密码系统，也为未来的安全应用提供了新的思路和参考。