A design of compact and high-performance AES processor using composite field based S-Box and hardware sharing

A compact and high-performance AES(Advanced Encryption Standard) encryption/decryption processor is designed by applying various hardware sharing and optimization techniques. In order to achieve minimized hardware complexity, sharing the S-Boxes for round transformation with the key scheduler, as well as merging and reusing datapaths for encryption and decryption are utilized, thus the area of S-Boxes is reduced by 25%. Also, the S-Boxes which require the largest hardware in AES processor is designed by applying composite field arithmetic on $GF(((2^2)^2)^2)$, thus it further reduces the area of S-Boxes when compared to the design based on $GF(2^8)$ or $GF((2^4)^2)$. By optimizing the operation of the 64-bit round transformation and round key scheduling, the round transformation is processed in 3 clock cycles and an encryption of 128-bit data block is performed in 31 clock cycles. The designed AES processor has about 15,870 gates, and the estimated throughput is 412.9 Mbps at 100 MHz clock frequency.

합성체 기반의 S-Box와 하드웨어 공유를 이용한 저면적/고성능 AES 프로세서 설계

다양한 하드웨어 공유 및 최적화 방법을 적용하여 저면적/고성능 AES(Advanced Encryption Standard) 암호/복호 프로세서를 설계하였다. 라운드 변환블록 내부에 암호연산과 복호연산 회로의 공유 및 재사용과 함께 라운드 변환블록과 키 스케줄러의 S-Box 공유 등을 통해 회로 복잡도가 최소화되도록 하였으며, 이를 통해 S-Box의 면적을 약 25% 감소시켰다. 또한, AES 프로세서에서 가장 큰 면적을 차지하는 S-Box를 합성체 $GF(((2^2)^2)^2)$ 연산을 적용하여 구현함으로써 $GF(2^8)$ 또는 $GF((2^4)^2)$ 기반의 설계에 비해 S-Box의 면적이 더욱 감소되도록 하였다. 64-비트 데이터패스의 라운드 변환블록과 라운드 키 생성기의 동작을 최적화시켜 라운드 연산이 3 클록주기에 처리되도록 하였으며, 128비트 데이터 블록의 암호화가 31 클록주기에 처리되도록 하였다. 설계된 AES 암호/복호 프로세서는 약 15,870 게이트로 구현되었으며, 100 MHz 클록으로 동작하여 412.9 Mbps의 성능이 예상된다.