Abstract
This paper presents the trade-off relationship between area and performance in the hardware design space exploration for the Korean national standard 128-bit block cipher algorithm SEED. In this paper, we compare the following four hardware design types of SEED algorithm : (1) Design 1 that is 16 round fully pipelining approach, (2) Design 2 that is a one round looping approach, (3) Design 3 that is a G function sharing and looping approach, and (4) Design 4 that is one round with internal 3 stage pipelining approach. The Design 1, Design 2, and Design 3 are the existing design approaches while the Design 4 is the newly proposed design in this paper. Our new design employs the pipeline between three G-functions and adders consisting of a F function, which results in the less area requirement than Design 2 and achieves the higher performance than Design 2 and Design 3 due to pipelining and module sharing techniques. We design and implement all the comparing four approaches with real hardware targeting FPGA for the purpose of exact performance and area analysis. The experimental results show that Design 4 has the highest performance except Design 1 which pursues very aggressive parallelism at the expanse of area. Our proposed design (Design 4) shows the best throughput/area ratio among all the alternatives by 2.8 times. Therefore, our new design for SEED is the most efficient design comparing with the existing designs.
본 논문에서는 국내 표준 128비트 블록 암호화 알고리즘인 SEED를 하드웨어로 설계할 경우 면적-성능간의 trade-off 관계를 보여준다. 본 논문에서 다음 4가지 유형의 설계 구조를 비교한다. (1) Design 1 : 16 라운드 완전 파이프라인 방식, (2) Design 2 : 단일 라운드의 반복 사용 방식 (3) Design 3 : G 함수 공유 및 반복 사용 방식 (4) Design 4 : 단일 라운드 내부 파이프라인 방식. (1),(2),(3)의 방식은 기존의 논문들에서 제안한 각기 다른 설계 방식이며 (4)번 설계 방식이 본 논문에서 새롭게 제안한 설계 방식이다. 본 논문에서 새롭게 제안한 방식은, F 함수 내의 G 함수들을 파이프라인 방식으로 연결하여 면적 요구량을 (2)번에 비해서 늘이지 않으면서도 파이프라인과 공유블록 사용의 효과로 성능을 Design 2와 Design 3보다 높인 설계 방식이다. 본 논문에서 4가지 각기 다른 방식을 각각 실제 하드웨어로 설계하고 FPGA로 구현하여 성능 및 면적 요구량을 비교 분석한다. 실험 분석 결과, 본 논문에서 새로 제안한 F 함수 내부 3단 파이프라인 방식이 Design 1 방식을 제외하고 가장 throughput 이 높다. 제안된 Design 4 가 단위 면적당 출력성능(throughput)면에서 다른 모든 설계 방식에 비해서 최대 2.8배 우수하다. 따라서, 새로이 제안된 SEED 설계가 기존의 설계 방식들에 비해서 면적대비 성능이 가장 효율적이라고 할 수 있다.