六大关键创新推动加密硬件性能飞跃

为实现未来的密码学，行业必须将创新性硬件升级与软件优化相结合，大幅削减计算需求。好消息是：我们建立在成熟技术的坚实基础之上。

未来，加密将无处不在——从购物清单到医疗记录。这一前景令人振奋，但密码学格局依然动荡。当前使命是保护数据免受未来十年新兴威胁。

每字节数据在遍历软件、网络和存储层时，可能经历多次加密操作。这些层保护核心业务功能，却也是现代硬件中计算最密集的任务。随着数据量激增，组织采用更大密钥尺寸和多算法套件，密码计算需求持续急剧攀升。

应对“计算成本”问题的六大变革性创新

为解决“计算成本”难题，硬件领域推出新微架构增强、固定功能指令集和软件层面优化。里程碑式的例子是AES-NI指令集，大幅降低了高级加密标准（AES）及其他FIPS算法所需CPU周期。过去十年，这些进步推动了强加密在企业的广泛采用。

量子计算威胁对称和非对称算法。将密钥从128位扩展至256位虽强化AES抗量子能力，但也增加计算开销。RSA和ECDSA恐将过时。行业正转向后量子密码学（PQC），制定平衡安全性、密钥尺寸、存储和性能的标准。NIST PQC竞赛已展示多个有希望的候选者。

向抗量子算法的迁移将渐进；传统方案将共存至新标准被证明既安全又具经济可行性。在此之前，组织仅在性能损失可接受时谨慎采用更强加密。

以下六大变革性创新正加速明天的密码能力：

1. TLS密码算法优化

TLS分两阶段运行。会话发起时，客户端使用公钥方法（通常RSA）交换密钥。RSA模幂运算计算昂贵，占用大量处理器周期。结合椭圆曲线密码学（ECC）和完美前向保密，可在更低成本下获得更强安全性。

数据传输阶段，TLS加密数据包并通过MAC认证。AES-GCM等密码套件融合加密与认证，减少往返延迟并简化实现。现代CPU优化的批量数据路径进一步提升吞吐量。

2. 公钥密码指令集

为加速大数运算，厂商推出专用指令集。Intel Ice Lake处理器支持AVX512_IFMA，可并行乘以八个52位无符号整数并累加至64位累加器。配合多缓冲处理，这些指令为RSA、ECC及其他公钥运算带来显著加速。

3. 对称加密增强

两大向量扩展提升AES性能：向量化AES（VAES）和向量化无进位乘法。VAES利用512位ZMM寄存器同时处理四个128位块，惠及所有AES模式。无进位乘法扩展加速Galois哈希，从而提速AES-GCM。

4. 哈希优化

新SHA扩展通过单指令执行多轮加速SHA-256。这些改进使更多哈希工作负载——对完整性校验、密钥派生和区块链操作至关重要——在不牺牲性能前提下成为可能。

5. 函数拼接

2010年引入的函数拼接，将两个传统顺序算法（如AES-CBC和SHA-256）合并为单一交错例程。通过重叠数据依赖和指令延迟，CPU执行单元保持忙碌，吞吐量超越独立流水线。

6. 多缓冲处理

多缓冲并行运行多个独立数据流。配合SIMD（AVX/AVX2/AVX512）指令，即使在缺乏原生向量支持的处理器上，也能大幅提升哈希和对称加密吞吐量。随数据量增长，该技术将成为维持性能的关键。

量子计算到来比预期更快。行业心态正从“我们要加密吗？”转向“为什么这数据没加密？”通过结合硬件进步与算法、软件创新，我们能应对后量子世界挑战，加速下一代密码方案采用。

Wajdi Feghali 是Intel Fellow。

>> 本文最初发表于我们的姊妹网站EE Times。

相关内容：

• 基于行业基线评估IoT安全模型
• 安全连接IoT设备到云的指南
• SRAM PUF基础及其在IoT安全中的部署
• 面向IoT安全的机密边缘计算简介
• IoT安全——密码学
• 理解NIST框架安全控制

订阅Embedded周报，获取更多嵌入式内容。