《電子技術(shù)應用》
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基于國密SM3算法的安全芯片設(shè)計與實現(xiàn)
電子技術(shù)應用
吉兵，吳昱媛
中國電子科技集團公司第五十八研究所
摘要： 基于信息安全的重要性以及芯片國產(chǎn)化的需求，同時為了提高信息安全技術(shù)的自主創(chuàng)新性，設(shè)計了一款應用于信息安全領(lǐng)域的安全芯片。該芯片以國密SM3算法為引擎核心，采用單總線通信方式，僅占用一個IO通信資源，協(xié)議支持1-wire總線協(xié)議，以滿足不同應用場景的需求。電路基于國內(nèi)商用110 nm CMOS工藝線完成電路設(shè)計和制造。芯片版圖面積為1.2 mm×1.9 mm，經(jīng)過流片后的測試和驗證，電路的通信功能正常穩(wěn)定。SM3算法引擎性能高效快捷，電路性能優(yōu)良。
關(guān)鍵詞： 110nm SM3 單總線
中圖分類號：TN918 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234752
中文引用格式： 吉兵，吳昱媛. 基于國密SM3算法的安全芯片設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應用，2024，50(6)：23-26.
英文引用格式： Ji Bing，Wu Yuyuan. Design and implementation of an encryption chip based on SM3[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(6)：23-26.
Design and implementation of an encryption chip based on SM3
Ji Bing，Wu Yuyuan
China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Insitute
Abstract： Based on the importance of information security and the demand of local technology, in order to improve the autonomy and control of information security technology, this paper will design a security chip applied in the field of information security. The chip takes the state secret SM3 algorithm as the core of the engine, adopts the single-wire communication method, occupies only one IO communication resource, and the protocol supports the 1-wire bus protocol to meet the needs of different application scenarios. The circuit is based on the domestic commercial 110 nm CMOS process line to complete the circuit design and flow chip manufacturing. The chip layout area is 1.2 mm×1.9 mm, and the communication function of the circuit is normal and stable after the flow test and verification. SM3 algorithm engine is highly efficient and fast, the result shows that the properties of this chip are superior.
Key words : 110 nm；SM3；1-wire

引言

在當今信息化時代，隨著信息傳輸和信息存儲對安全性的需求日益凸顯，信息安全問題備受關(guān)注。在這一背景下，加密算法成為解決信息安全挑戰(zhàn)的核心和基礎(chǔ)技術(shù)，不僅是目前最經(jīng)濟高效的解決方案，也是保障信息安全的最基本手段[1-2]。

在商業(yè)信息安全領(lǐng)域，目前國際上廣泛采用的各類加密算法標準大多建立在美國國家標準與技術(shù)研究院的基礎(chǔ)上，以雜湊算法[3]為例，國內(nèi)仍然主要采用國外定制的SHA算法[4]，尤其在金融領(lǐng)域，采用國外加密算法標準的安全產(chǎn)品仍占主導地位。然而，底層芯片存在不可控的風險，一旦發(fā)生后門泄漏，可能導致難以估量的損失。因此，為了確保數(shù)據(jù)的保密性、完整性和自主可控性，安全芯片的設(shè)計和開發(fā)變得至關(guān)重要。這些芯片不僅需要在保障信息安全方面表現(xiàn)出色，還需要在面積和性能之間取得平衡，以適應各種應用場景。

從商業(yè)信息安全的角度來看，設(shè)計和生產(chǎn)基于國密標準的國產(chǎn)安全芯片與商業(yè)信息安全戰(zhàn)略高度契合。為了減少對國外密碼技術(shù)和產(chǎn)品的依賴，中國于2020年1月1日正式實施《中華人民共和國密碼法》。本文采用的加密算法[5]核心是國家密碼局發(fā)布的雜湊算法標準SM3，該標準為GM/T0004-2012。

目前，基于SM3算法的硬件研究與設(shè)計主要采用FPGA方式實現(xiàn)[6]，側(cè)重于算法本身的高性能實現(xiàn)，但硬件資源開銷較大，因此在商業(yè)信息安全領(lǐng)域應用上具有一定的限制。本文旨在設(shè)計一款兼顧面積和性能的加密芯片，廣泛應用于商業(yè)信息安全領(lǐng)域。該電路采用單總線通信協(xié)議，支持高達500 kb/s的通信速率，并集成高效的信息交互、加密、認證等通信指令。這一設(shè)計顯著降低了應用開發(fā)的復雜性，具有顯著的商用價值，有望在商業(yè)信息安全領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。


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作者信息：

吉兵，吳昱媛

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214072）


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