一颗小芯片模块同时装下两套“密码锁”

一颗比芝麻粒还小的芯片模块，可以同时装下两套“密码锁”：一套是如今广泛使用的传统密码，另一套是可以抵御未来量子计算机攻击的后量子密码。这是杭州电子科技大学（以下简称杭电）研究生团队设计的芯片安全方案。

日前，在深圳举行的“华为杯”第九届中国研究生创“芯”大赛全国总决赛上，杭电教授秦兴指导的“非古法编程队”凭借上述作品——“基于共享算术与流式存储的异构密码加速IP设计与验证”，从全国200所高校、1607支队伍中脱颖而出，获华为企业命题特等奖。

获奖现场。杭电供图

中国研究生创“芯”大赛由教育部学位管理与研究生教育司指导，中国学位与研究生教育学会、中国科协青少年科技中心主办，是国内研究生芯片设计领域最具实战性的赛事之一。华为企业命题聚焦产业一线真实需求，特等奖是该赛道最高荣誉，只有3个名额。

据介绍，IP核可以理解成芯片里的“功能积木”，现代芯片设计是把经过验证的功能模块像搭乐高一样集成起来。杭电电子信息学院三名研究生施伟康、杨立伟、余正楠组成的参赛团队交付的这块“功能积木”专门负责密码运算。

谈及为什么要把传统密码和后量子密码放在一起时，队长施伟康表示，日常的移动支付、软件升级、身份认证等背后都离不开数字签名，虽然传统非对称密码算法目前安全可靠，但量子计算机一旦成熟，可能让许多传统加密算法被快速攻破。全球都在提前布局后量子密码。

华为企业命题“后量子与传统非对称密码芯片架构及硬件实现”本质上是让芯片既能用现在的“锁”，也能换未来的“锁”。对此，华为企业命题特等奖不止看性能指标，还要求完整性和可集成性。

杭电研究生团队不仅完成了密码算法硬件实现，还配好APB+AXI DMA（低速和高速外设）接口。他们交付的不是一个孤立的实验室模块，而是可以交给芯片设计公司直接集成到SoC（系统级芯片）里的“半成品”，可以像U盘一样即插即用。

施伟康回忆：“我们把近年来国际前沿论文方案作为候选，最开始想把每一篇论文的方案都做一遍，后来发现根本做不完。秦老师指导我们搭了一套自动化设计流程：先写RTL（硬件代码），再跑KAT（答案测试），再做逻辑综合看面积和时序，不行就换。我们把计算流程拆成多条并行流水线，将两种密码算法里能共用的运算单元尽量共用，既省面积，又提速度。”

在芯片设计流程中，RTL类似“设计图纸”，门级网表则接近“施工后的管线图”。RTL仿真通过，只说明图纸逻辑正确；映射到具体工艺库后，还要看每一根“线”的延迟、每一个“门”的驱动是否可靠。

备赛后期，门级仿真成了最难熬的一关。“RTL仿真早就全过了，但映射出来的网表第一次跑KAT时挂了快一半，那几天就是对着波形，一个一个信号地追。”施伟康说。

最终，他们设计的这颗IP核总面积约0.061平方毫米，比赛题要求的面积上限小13%，但速度丝毫不打折，七项性能指标全部优于赛题要求，运行最快速度可达到赛题要求指标的2.61倍。

秦兴表示，从读论文到做芯片，从RTL代码到门级网表，这支研究生团队在几个月里完成了一次“把论文变成硅片”的实践。获奖背后，不只是算法和指标的胜出，更是年轻人对中国“芯”的执着。