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利用 MOMR执行完成单指令周期位置换

Single-Cycle Bit Permutations with MOMR Execution

  • 摘要: 安全计算范式向通用处理器提出了新的体系结构上的挑战。安全的通讯、存储和计算都需要加密处理。安全通讯、计算和存储利用安全协议中的加密处理来实现数据保密性、数据完整性和用户认证。由于安全计算范式的重要性增加,加密处理将成为每个处理器的部分负荷。因此,在设计未来处理器中,对于通过软件进行快速加密处理等新要求的了解是至关重要的,无论这个处理器是通用的、专用的还是嵌入式的。在本文当中,我们尤其把重点放在高性能微处理器的需求上。 保密性可以通过对数据或报文进行加密来实现,方法是利用对称密钥加密算法 DES 和 AES 。数据完整性能够保证数据在传送和存储过程中不发生改变,这可以通过安全的散列函数如 SHA 和 MD-5 来实现。经因特网远程认证用户和设备、启动数字签名和密钥交换可以通过公共密钥加密算法如 Diffie-Hellman 和 RSA 来实现。 我们区别对称密钥和公共密钥加密算法中的两类运算:面向位的运算和多字运算,他们在以往通用负载中并不常见。我们定义 MOMR (多算子多结果)执行或多数据执行,以应对两类挑战。它允许在一个或两个周期内完成任意几位的置换,而不是现有 RISK 处理器的 O ( N )个周期。它还能实现公共密钥密码所需的多字乘的明显加速。我们提出了 MOMR 的两种实现:一是利用硬件的改变;而是使用 Instruction Set Architecture (指令集体系结构,简称 ISA )的支持。 本文的一个重要贡献是我们认为快速加密处理取决于一个处理器支持复杂位级运算和多字运算的能力。 本文的第二个重要贡献是我们提出了一个通用的体系结构方案,它允许高性能处理器通过执行 MOMR 支持数据密集型运算。 MOMR 也是一个公认的能够获得高性能位置换和多字运算的方案。 本文的第三个重要贡献是证明了任意 n 位置换如何仅在一两个周期内通过执行 MOMR 来高效实现。这在以往的基本 RISC 处理器中需要 O ( n )个指令实现,而利用最新提出的位置换,则最优的结果是 O ( log ( n ))个指令。 我们将证明, MOMR 执行在典型的多发处理器中整合( LEVERAGES )可用的资源,额外成本很小。针对具有相同数据路径的标准多发处理器而言, MOMR 增强的多发处理器提供了更多的加速比。对于面向字的处理器体系结构集成多数据运算来说是一个普适的体系结构解决办法。

     

    Abstract: Secure computing paradigms impose new architectural challenges forgeneral-purpose processors. Cryptographic processing is needed forsecure communications, storage, and computations. We identify twocategories of operations in symmetric-key and public-key cryptographicalgorithms that are not common in previous general-purpose workloads:advanced bit operations within a word and multi-word operations. Wedefine MOMR (Multiple Operands Multiple Results) execution ordatarich execution as a unified solution to both challenges. Itallows arbitrary n-bit permutations to be achieved in one or twocycles, rather than O(n) cycles as in existing RISC processors. Italso enables significant acceleration of multi-word multiplicationsneeded by public-key ciphers. We propose two implementations of MOMR:one employs only hardware changes while the other uses Instruction SetArchitecture (ISA) support. We show that MOMR execution leveragesavailable resources in typical multi-issue processors with minimaladditional cost. Multi-issue processors enhanced with MOMR units provideadditional speedup over standard multi-issue processors with the samedatapath. MOMR is a general architectural solution for word-orientedprocessor architectures to incorporate datarich operations.

     

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