• 전기전자학회논문지
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• 제24권4호
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• pp.961-968
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• 2020

타원곡선 암호에 필수적으로 사용되는 모듈러 곱셈의 고성능 하드웨어 설계에 대해 기술한다. 본 논문의 모듈러 곱셈기는 NIST FIPS 186-2에 정의된 소수체 상의 5가지 체 크기(192, 224, 256, 384, 521 비트)의 모듈러 곱셈을 지원하며, 정수 곱셈과 축약의 두 단계 과정으로 모듈러 곱셈을 연산한다. 고속 정수 곱셈을 위해 카라추바-오프만 곱셈 알고리듬이 사용되었고, 축약 연산을 위해 Lazy 축약 알고리듬이 사용되었다. 또한, Lazy 축약에 포함된 나눗셈 연산을 위해 Nikhilam 나눗셈 알고리듬이 사용되었으며, 나눗셈 연산은 주어진 모듈러 값에 대해 처음 한 번만 연산되고, 모듈로 값이 고정된 상태로 연속적인 모듈러 곱셈이 수행되는 경우에는 나눗셈을 거치지 않도록 하였다. 설계된 모듈러 곱셈기는 32 MHz의 클록 주파수로 동작하는 경우에 초당 640만번의 모듈러 곱셈을 연산할 수 있는 것으로 평가되었으며, 180-nm CMOS 셀 라이브러리로 합성한 결과, 67 MHz의 클록 주파수로 동작이 가능하며, 456,400 등가 게이트로 구현되었다.

• KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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• 제15권7호
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• pp.2610-2630
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• 2021

The aim of this paper is to propose the alternative algorithm to finish the process in public key cryptography. In general, the proposed method can be selected to finish both of modular exponentiation and point multiplication. Although this method is not the best method in all cases, it may be the most efficient method when the condition responds well to this approach. Assuming that the binary system of the exponent or the multiplier is considered and it is divided into groups, the binary system is in excellent condition when the number of groups is small. Each group is generated from a number of 0 that is adjacent to each other. The main idea behind the proposed method is to convert the exponent or the multiplier as the subtraction between two integers. For these integers, it is impossible that the bit which is equal to 1 will be assigned in the same position. The experiment is split into two sections. The first section is an experiment to examine the modular exponentiation. The results demonstrate that the cost of completing the modular multiplication is decreased if the number of groups is very small. In tables 7 - 9, four modular multiplications are required when there is one group, although number of bits which are equal to 0 in each table is different. The second component is the experiment to examine the point multiplication process in Elliptic Curves Cryptography. The findings demonstrate that if the number of groups is small, the costs to compute point additions are low. In tables 10 - 12, assigning one group is appeared, number of point addition is one when the multiplier of a point is an even number. However, three-point additions are required when the multiplier is an odd number. As a result, the proposed method is an alternative way that should be used when the number of groups is minimal in order to save the costs.

• 한국통신학회논문지
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• 제27권3C호
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• pp.256-262
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• 2002

본 논문에서는 sign estimation technique (3)을 기초로 한 radix-4 모듈라 곱셈 알고리즘을 제안한다. Sign estimation technique은 carry와 sum의 형태로 표현되는 수에서 부호를 알아내는 것이다. 이 방법은 5비트 carry look-ahead adder로 구현이 가능하다. RSA와 같은 암호화 시스템에서는 모듈라 곱셈이 하드웨어의 성능을 좌우한다. 제안한 알고리즘은 modulus가 n 비트인 경우, 모듈라 곱셈 수행시 일반적인 알고리즘의 약 반 클럭 (n/2+3) 사이클만 필요하다. 그래서 매우 큰수의 modulus 사용하는 RSA 암호시스템에서 모듈라 멱승 연산에 매우 효율적이다. 또한 모듈라 곱셈의 하드웨어 성능을 향상하기 위해, CSA (Carry Save Adder)의 맨 마지막 출력에 사용되는 CPA (Carry Propagation Adder) 대신 고속 덧셈기(7)를 사용하였다. 모듈라 멱승 계산이 n 클럭이 소요되는 RL binary 방법을 적용하여 1024 비트 데이터를 RSA 암호화하는데 n(n/2+3) 클럭 사이클만 소요된다.

• 대한전자공학회논문지SD
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• 제41권4호
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• pp.57-66
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• 2004

본 논문에서는 RNS(residue number systems) 몽고메리 모듈라 곱셈기 기반의 2,048 비트 RSA 설계를 제안한다. RNS는 긴 워드에 대한 모듈라 연산을 짧은 워드로 분할하여 고속 병렬 모듈라 연산을 처리하는 시스템으로써 본 논문에서는 RNS 몽고메리 모듈라 곱셈 연산을 위해 Wallace 트리 모듈라 곱셈기 기반의 Montgomery reduction method(MRM)［1］와 33개의 64 비트 RNS base 를 도입하였다. 또한, 고속 RNS 모듈라 곱셈 연산을 위해 Chinese remainder theorem(CRT)［2］기반의 개선된 base extension 알고리즘을 제안한다. 본 논문에서 제시한 RNS 기반의 2,048 비트 RSA는 삼성 0.35㎛ 공정을 사용하여 기능을 검증하였으며 100㎒에서 2.53㎳ 연산 속도 결과를 얻었다.

• 정보보호학회논문지
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• 제7권2호
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• pp.73-92
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• 1997

모듈라 멱승 연산(M$^{E}$ modN)은 공개키 암호시스템에 있어서 가장 기본적이고 중요한 연산들 중 하나이다. 그런데 이는 512-비트 이상의 정수들과 같이 매우 큰 수들을 다루기 때문에, 수행속도가 느려서 빠른 연산 알고리즘을 필요로 한다. 모듈라 멱승 연산은 모듈라 곱셈의 반복 수행으로 이루어져있고, 이 때의 반복횟수는 지수(E)에 대한 덧셈사슬의 길이에 의해 결정된다. 따라서, 모듈라 멱승 연산을 빠르게 수행하기 위한 방법에는 두 가지가 있을 수 있다. 하나는 보다 짧은 덧셈사슬을 구함으로써 모듈라 곱셈의 반복횟수를 줄이는 것이고, 다른 하나는 각각의 모듈라 곱셈을 빠르게 수행하는 것이다. 본 논문에서는 하나의 덧셈사슬 휴리스틱과 두 개의 모듈라 곱셈 알고리즘들을 제안한다. 두개의 모듈라 곱셈 알고리즘들 중 하나는 서로 다른 두 수들 간의 모듈라 곱셈을 빠르게 수행하기 위한 것이고, 다른 하나는 모듈라 제곱을 빠르게 수행하기 위한 것이다. 본 논문에서 제안하는 덧셈사슬 휴리스틱은 기존의 알고리즘들보다 짧은 덧셈사슬을 찾을 수 있다. 본 논문에서 제안하는 모듈라 곱셈 알고리즘들은 기존의 알고리즘들 보다 1/2 이하의 단정도 곱셈만으로 모듈라 곱셈을 수행한다. 실제로 PC에서 구현하여 수행한 결과, 기존의 알고리즘들 중 가장 좋은 성능을 보이는 Montgomery 알고리즘에 비해 30~50%의 성능향상을 보인다.

• 정보학연구
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• 제3권1호
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• pp.61-72
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• 2000

본 논문에서는 RSA 공개키 암호시스템에서 암호의 안전성을 위하여 증가되는 암호키(key)의 비트 크기에 대응한 내부 연산기 설계를 효율적으로 할 수 있는 bit-slice형 모듈러 곱셈 알고리즘을 제안하였고, 제안된 알고리즘에 따른 모듈러 곱셈기를 FPGA칩을 이용하여 구현함으로써 제안된 알고리즘의 동작을 검증하였다. 제안된 bit-slice형 모듈러 곱셈 알고리즘은 Walter 알고리즘을 수정하여 도출하였으며, 구현된 모듈러 곱셈기는 bit-slice 구조로 되어 암호키(key)의 비트 확장에 대응한 모듈러 곱셈기의 오퍼랜드 비트 확장이 용이하며, 표준 하드웨어 기술언어(VHDL)로 모델링 하여 전용 하드웨어로 설계되는 RSA 공개키 암호 시스템의 구현에 응용될 수 있도록 하였다.

• 한국정보보호학회:학술대회논문집
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• 한국정보보호학회 1995년도 종합학술발표회논문집
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• pp.173-182
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• 1995

모듈라 멱승(modular exponentiation) 연산은 암호학에서 기본적이고 중요한 연산이다. 그러나, 이는 다정도 정수(multiple precision integer)들을 다루기 때문에 그 연산시 간이 무척 많이 걸리므로 이를 단축시킬 필요가 있다. 모듈라 멱승 연산은 모듈라 곱셈(modular multiplication)의 반복으로서, 전체 연산시간을 단축시키기 위해서는 모듈라 곱셈의 수행시간을 단축시키거나, 모듈라 곱셈의 반복횟수를 줄이는 것이 필요하다. 본 논문에서는 모듈라 곱셈을 빠르게 수행하기 위한 알고리즘 두 개를 제안한다. 하나는 서로 다른 두 수의 모듈라 곱셈 알고리즘이고, 다른 하나는 모듈라 제곱을 빠르게 수행하는 알고리즘이다. 이 둘은 기존의 모듈라 곱셈 알고리즘들에 비해 각각 절반과, l/3가량의 단정도 곱셈(single-precision multiplication)만을 필요로 한다. 실제로 PC상에서 구현한 결과 각각 100%와 30%의 속도향상을 보인다.

• 한국정보보호학회:학술대회논문집
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• 한국정보보호학회 1995년도 종합학술발표회논문집
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• pp.163-172
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• 1995

In this paper, the bit-level 1-dimensionl systolic array for modular multiplication are designed. First of all, the parallel algorithms and data dependence graphs from Walter's Iwamura's methods based on Montgomery Algorithm for modular multiplication are derived and compared. Since Walter's method has the smaller computational index points in data dependence graph than Iwamura's, it is selected as the base algorithm. By the systematic procedure for systolic array design, four 1-dimensional systolic arrays ale obtained and then are evaluated by various criteria. Modifying the array derived from 〔0,1〕 projection direction by adding a control logic and serializing the communication paths of data A, optimal 1-dimensional systolic array is designed. It has constant I/O channels for modular expandable and is good for fault tolerance due to unidirectional paths. And so, it is suitable for RSA Cryptosystem which deals with the large size and many consecutive message blocks.

• 정보보호학회논문지
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• 제12권2호
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• pp.35-44
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• 2002

본 논문에서는 Radix-$2^k$ 모듈라 곱셈 알고리즘 기반의 고속 RSA 지수승 연산기의 구현 방법을 제시하고 검증하였다. Radix-$2^k$ 모듈라 곱셈 알고리즘을 구현하기 위해 Booth receding 연산 알고리즘을 사용하였으며 최대 radix-16 연산을 위해 2K-byte 메모리와 2개의 전가산기와 3개의 반가산기의 지연을 갖는 CSA(carry-save adder) 어레이를 사용하였다. CSA 어레이 출력인 캐리와 합을 고속으로 가산하기 위해 마지막 덧셈기로써 캐리 발생과 지연시간이 짧은 가상 캐리 예측 덧셈기(pseudo carry look-ahead adder)를 적용하였다. 또한, 주어진 공정에서 동작 주파수와 처리량의 관계를 통해 Radix-$2^k$에서 설계 가능한 radix 값을 제시하였다. Altera FPGA EP2K1500E를 사용하여 기능을 검증한 후 삼성 0.35$\mu\textrm{m}$ 공정을 사용하여 타이밍 시뮬레이션을 하였으며 radix-16 모듈라 곱셈 알고리즘을 사용할 경우 모듈라 곱셈에 (n+4+1)14 의 클럭을 사용하여 1,024-bit RSA를 처리하는데 50MHz에서 5.38ms의 연산 속도를 측정하였다.

• 정보보호학회논문지
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• 제12권5호
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• pp.95-105
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• 2002

본 논문에서는 공개키 암호 시스템에서 인증, 키 교환 및 전자 서명을 위해 사용되는 RSA 공개키 암호 알고리즘의 효율적인 하드웨어 구현 방법에 대해 기술하였다. RSA 공개키 알고리즘은 모듈러 멱승 연산에 의해 계산되어지며, 모듈러 멱승 연산은 반복적인 모듈러 곱셈 연산을 필요로 한다. 모듈러 곱셈 구현을 위한 많은 알고리즘 중, 하드웨어 구현의 효율성 때문에 Montgomery 알고리즘이 많이 사용되어지고 있다. 지금까지 몽고메리 알고리즘을 이용하여 고성능의 RSA 암호회로를 설계하는 연구는 많이 수행되어 왔으나, 대부분의 연구가 시스템의 고성능을 위한 연산 시간의 감소에 중점을 두고있다. 하드웨어 구현에 제한이 있는 시스템에서 하드웨어 설계 시 가장 고려해야 할 사항은 시스템의 성능과 면적을 고려한 설계이다. 이러한 이유로, 본 논문에서는 기존의 Montgomery 알고리즘을 저면적 회로에 적합한 구조로 개선하였으며, 개선된 알고리즘을 이용하여 ETRI에서 개발한 스마트 카드용 에뮬레이팅 시스템인 IESA 시스템에 적용하여 검증하였다.