• Transactions on Semiconductor Engineering
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• v.1 no.1
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• pp.1-8
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• 2023

This paper presents the design and implementation of Crystals-Kyber, a next-generation postquantum cryptography, as a hardware accelerator on an FPGA using High-Level Synthesis (HLS). We optimized the Crystals-Kyber algorithm using various directives provided by Vitis HLS, configured the AXI interface, and designed a hardware accelerator that can be implemented on an FPGA. Then, we used Vivado tool to design the IP block and implement it on the ZYNQ ZCU106 FPGA. Finally, the video was recorded and H.264 compressed with Python code in the PYNQ framework, and the video encryption and decryption were accelerated using Crystals-Kyber hardware accelerator implemented on the FPGA.

• Journal of the Korea Institute of Information Security & Cryptology
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• v.32 no.6
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• pp.1045-1057
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• 2022

Recently, the National Institute of Standards and Technology (NIST) announced four cryptographic algorithms as a standard candidates of Post-Quantum Cryptography (PQC). In this paper, we show that private key can be exposed by a non-profiling-based power analysis attack such as Correlation Power Analysis (CPA) and Differential Deep Learning Analysis (DDLA) on CRYSTALS-KYBER algorithm, which is decided as a standard in the PKE/KEM field. As a result of experiments, it was successful in recovering the linear polynomial coefficient of the private key. Furthermore, the private key can be sufficiently recovered with a 13.0 Normalized Maximum Margin (NMM) value when Hamming Weight of intermediate values is used as a label in DDLA. In addition, these non-profiling attacks can be prevented by applying countermeasures that randomly divides the ciphertext during the decryption process and randomizes the starting point of the coefficient-wise multiplication operation.

• Review of KIISC
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• v.33 no.1
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• pp.31-39
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• 2023

1994년 피터 쇼어에 의해, 대규모 큐비트 연산이 가능한 양자 컴퓨터가 개발된다면 RSA와 같은 현재 공개키 암호 알고리즘이 공격을 당할 수 있음을 이론적으로 가능하게 해주는 쇼어 알고리즘이 소개된 이후, 공개키암호시스템의 붕괴에 대한 가능성은 점점 현실로 다가오고 있다. 물론, 공개키암호시스템은 향후 10~20년은 여전히 안전할 가능성이 높지만, NIST는 최악의 상황에 대비하여 2017년부터 양자내성암호(Post-Quantum Cryptography)에 대한 표준화 작업을 수행하고 있으며, 2022년 4종의 표준화 대상 알고리즘을 선정한 바 있다. 이 중에서도 NIST는 Crystals-Kyber(PKE/KEM)와 Crystals-Dilithium(DSA)를 기본 알고리즘으로 언급하며 우수한 성능과 강한 보안성으로 대부분의 응용에서 잘 동작할 것이라고 예측한 바 있다. 이들 알고리즘은 3라운드의 경쟁 알고리즘 대비 보안 강도가 다소 약한 측면에 있었음에도 우수한 성능, 다양한 환경에서의 적용 가능성 등에 따라 선정된 것으로 보인다. 그럼에도 최근 일부 연구에서는 하이브리드 Dual 공격을 제안함으로써 최초 주장하는 보안 강도와 비교하여 안전성이 더 약화될 가능성이 제기된 바 있다. 본 논문에서는 이들 알고리즘에 대한 안전성 분석 방법을 살펴보고, 최근 논문에서 제기된 새로운 안전성 분석 방법과 그에 따르는 보안 강도를 분석한다.

• Convergence Security Journal
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• v.24 no.2
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• pp.71-78
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• 2024

As the rapid development of quantum computing compromises current public key encryption methods, the National Institute of Standards and Technology (NIST) in the United States has initiated the Post-Quantum Cryptography(PQC) project to develop new encryption standards that can withstand quantum computer attacks. This project involves reviewing and evaluating various cryptographic algorithms proposed by researchers worldwide. The initially selected quantum-resistant cryptographic algorithms were developed based on lattices and hash functions. Currently, algorithms offering diverse technical approaches, such as BIKE, Classic McEliece, and HQC, are under review in the fourth round. CRYSTALS-KYBER, CRYSTALS-Dilithium, FALCON, and SPHINCS+ were selected for standardization in the third round. In 2024, a final decision will be made regarding the algorithms selected in the fourth round and those currently under evaluation. Strengthening the security of public key cryptosystems in preparation for the quantum computing era is a crucial step expected to have a significant impact on protecting future digital communication systems from threats. This paper analyzes the security and efficiency of quantum-resistant cryptographic algorithms, presenting trends in this field.

• Review of KIISC
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• v.33 no.1
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• pp.13-21
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• 2023

NIST는 2022년 양자내성암호 표준화 진행 대상 알고리즘으로 KEM 1종(CRYSTALS-Kyber), 전자서명3종(CRYSTALS-Dilithium, FALCON, SPHINCS+)을 발표하였고, 추가로 KEM 4종(Classic McEliece, HQC, BIKE, SIKE)에 대한 Round 4 진행을 공표하였다. Round 3와 마찬가지로 Round 4에서도 부채널 분석 및 오류 주입에 대한 안전성은 알고리즘 선정에 있어 중요 평가 사항 중 하나이다. 따라서 해당 암호 알고리즘에 대한 새로운 부채널 분석기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문은 Round 4의 암호 알고리즘 중 코드 기반 알고리즘 3종(Classic McEliece, HQC, BIKE)에 대한 부채널 분석 방법론의 동향을 파악하고 향후 연구 방향을 제시한다.

• Review of KIISC
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• v.32 no.1
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• pp.47-56
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• 2022

NIST는 PQC Round 3 평가 기준으로 부채널 분석 및 오류 주입에 대한 안전성을 역설함에 따라 Round 3 양자내성암호에 대한 새로운 부채널 공격 시나리오 및 대응 기법이 빠르게 제시되고 있다. 따라서 각 방법론의 동향을 파악하고 재정의, 분류하는 작업이 필수적으로 요구된다. 본 논문에서는 NIST PQC Round 3 최종 후보 중 격자 기반 암호 KEM(SABER, CRYSTALS-KYBER, NTRU)에 대한 부채널 분석기법 및 대응기술 동향을 조사 및 분석하고 향후 Round 3 격자 기반 KEM 알고리즘의 부채널 연구 전망을 논의한다.

• Proceedings of the Korea Information Processing Society Conference
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• 2023.05a
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• pp.113-115
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• 2023

SMAUG는 2023년 한국형 양자내성암호 표준화 공모전인 KpqC의 공개키 부문의 1차 후보로 당선된 양자내성암호 알고리즘이다. SMAUG는 MLWE와 MLWR을 사용한 격자 기반 알고리즘으로, 비슷한 문제를 사용하는 CRYSTALS-Kyber에 비해 키 크기가 작다는 장점이 존재한다. 본 논문에서는 SMAUG를 ARMv8 프로세서 상에서 구현하였다. 곱셈 연산의 가장 최하위 모듈을 병렬 구현하여 연산 속도를 빠르게 하는데 집중하였다. 구현 결과 곱셈 알고리즘은 최대 24.62배, 암호 연산에 적용할 경우 최대 3.51배 성능 향상이 있었다.