可重构双域模乘加器：高效伸缩设计与0.18μm工艺验证

在当前的IT领域，特别是在密码学特别是椭圆曲线密码体制的研究中，高效、低成本的模乘和模加减运算性能至关重要。本文主要探讨了可编程可伸缩的双域模乘加器的设计，这是因为在ECC算法的实现中，这两种运算频繁出现，如在点的乘法（Point Multiplication）中占据核心地位。 Montgomery模乘算法因其将大数转换到 Montgomery 剩余类进行简化运算，成为模乘的标准实现方式。然而，传统Montgomery算法存在算法粒度固定、关键路径冗长以及不支持双有限域运算的问题。为了克服这些局限，研究人员不断寻求优化和创新。文献[2]提出了Montgomery模乘在高基阵列上的优化策略，提高了运算效率。文献[3]和[4]则尝试了可重构和可伸缩的设计，分别实现了单域和双域模乘加器，尽管有所改进，但在电路面积优化和灵活性方面仍有提升空间。 本文作者在借鉴了FIOS类型Montgomery模乘算法的基础上，针对模乘加减单元进行了深入分析，设计了一种新型的MAS结构，即混合了模乘（Multiplication）、模加（Addition）和模减（Subtraction）功能的模块。这种结构结合了可重构设计技术，通过流水线切割，成功地实现了对GF(p)和GF(2^n)两种不同有限域的运算支持，并具备了长度可伸缩性，这意味着可以根据实际需求调整运算长度，从而适应不同的加密强度和性能要求。 设计的关键在于将模乘和模加减操作融合，有效地减少了单元面积，提高了电路的集成度和效率。此外，通过在Verilog HDL语言中描述这个模乘加器，并利用CMOS 0.18 μm典型工艺库进行综合，作者验证了其设计的有效性和实用性。实验结果显示，该模乘加器的最大时钟频率达到了230 MHz，这表明在运算速度上具有显著优势。同时，电路面积的优化使得整体系统在成本和性能之间找到了良好的平衡。 本文的工作不仅提升了双域模乘加器的性能，还通过可编程和可伸缩特性，使之更具灵活性和适应性，对于推动椭圆曲线密码体制的实际应用和发展具有重要意义。