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深圳市天浩旭科技有限公司
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閱讀：216發布時間：2022-4-12
在前幾篇文章里有給各位說明了如何使用改進算法和低功耗設計方法，實現高速低功耗的AES ASIC設計。但因篇幅太大，在此本人總結了幾個重點，再向各位介紹一下，以此說明ALPU采用AES128 ASIC的設計在加密系統中是何等的明智。
在介紹之前，我們先要了解一個名稱：T盒算法。
什么是T盒算法呢？T盒算法是AES的改進算法,假設加密過程中輪變化的輸入為a，輸出為d，則：上式中SRD（S盒）由有限域GF(28)中的乘法逆變換和GF(2)中的仿射變換復合而成，符號代表有限域GF(28)中的加法運算，符號 代表有限域GF(28)中的乘法運算。
該實現方案中T0~T3，每個表都包含了256個雙字，一共占用4KByte的空間。在每次循環迭代中，只要通過4次表查詢和4次異或運算，就能快速地得到一次輪操作中一列的運算結果。改進算法有效降低了關鍵時序路徑的傳輸延遲，能夠明顯的提高ASIC工作頻率。通過4次表查詢和4次異或運算，就能快速地得到一次輪操作中一列的運算結果，同時在滿足時序約束的前提下，通過動態功耗管理和時鐘門控等方法，根據芯片的工作狀態關閉模塊的功能操作并關閉時鐘網絡，達到了降低功耗的目的。
采用T盒算法，設計的數據吞吐率可以提高13.8%，同時采用功耗優化方案后，normal模式下功耗下降了10.7%，在idle模式時更低。該實現方案適用于ECB，CBC等運行模式。采用這種方案，同樣也可以使得CMOS功耗變得更低。
該方案采用了以下兩種低功耗設計方法。
1)動態功耗管理
動態功耗管理是一種系統級低功耗設計方法，降低功耗的主要思路是根據芯片工作狀態改變功耗管理模式，從而在保證性能的基礎上降低功耗。在不同模式下，時鐘的頻率可以進行調整，一些空閑模塊甚至整個芯片的時鐘也可能會被停止。還可以通過調整芯片的電壓，進一步降低功耗。由于工作庫的限制，本文沒有對動態電壓管理作進一步的研究。
本文采用動態功耗管理，分為normal和idle兩種功耗模式。有開始(START)信號時，芯片由idle模式進入normal模式，開始對明文分組加密。經過初始密鑰加法和10次輪變換，輸出密文分組，并產生結束(STOP)信號，使芯片返回idle模式。因此設計了一個鑒相器產生idle模式的控制信號（EN）。電路由與非門和基本RS觸發器組成（圖1），對輸入信號（開始和結束）的上升沿感應，由D觸發器輸出EN。具有結構簡單的特點，并對噪聲的影響有很好的抑制作用，并能有效地去除毛刺。
2)時鐘門控
EN有關閉和打開ASIC內部模塊的作用，但這樣不是的，因為EN只是關閉了內部模塊的功能操作，而并沒有把模塊內的時鐘網絡關閉，也就是說時鐘網絡依然處于激活狀態，而時鐘網絡造成的功耗占總功耗的很大部分，只有關閉時鐘網絡才能同時達到關閉模塊功能和降低功耗的目的。
采用時鐘門控技術可以達到關閉時鐘網絡的目的。以圖2(a)中所示電路為例，仿真生成的波形如圖2(b)所示。可以看到只有在EN信號為1和時鐘信號CLK上跳同時發生，ENCLK才會從0變為1，激活時鐘網絡。在其他時刻，時鐘網絡是關閉的。插入的時鐘門控單元不僅能通過關閉時鐘網絡而明顯的降低功耗外，還有其他幾個重要的功能：
①D觸發器的時鐘輸入端口對毛刺敏感，門控單元能有效地濾除信號EN的毛刺，從而確保進入D觸發器時鐘端口的ENCLK信號不會出現毛刺，避免因競爭而導致觸發器發生錯誤的狀態變化。
②鎖存器的插入增加了ENL信號的延時。
③對于n位寄存器組，n條反饋連線和n個多路選擇器被一個門控單元所取代，不僅帶來面 積上的節省，降低后端布線的擁塞，同時又進一步降低了功耗。
采用此種方式，可實現工作頻率410MHz，數據吞吐率5.23Gbps，功耗為58 mW，完了AES ASIC的功耗高的問題
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