暗号プロセッサ ICF3は1999年に日立のメインフレームの暗号装置として世界に製品出荷されたLSIです。 当時、RSA暗号の性能で世界一でした。 ICF3の暗号プロセッサのゲートレベルの全設計図を初公開しました。 18年前、LSIのゲートレベルの設計での開発の様子が良くわかるのではないかと思います。
著作権は平山 直紀にあります。 以下のURLからダウンロードできます。
https://openicf3.idletime.tokyo/gatelevel.html
ICF3にはモンゴメリ乗算器が搭載されていました。以下のURLが参考になると思います。
https://icf.hatenablog.com/entry/2017/08/19/091112
最近はRTLレベルの設計が主流になっているのかもしれませんが、ゲートレベルの設計は、もう少し低レベルで難しいですが、すべてを人の手で制御し、高性能を得る感覚が、いいと思っています。 RTLレベルでの設計を極めることを好む方も、いらしゃると思いますけど。
暗号プロセッサ ICF3の用途は、IoT小型コンピュータであるが、さくらインターネットなどの専用サーバー(物理サーバー)も便乗できるのではないかと考えています。専用サーバーを利用する客はセキュリティを重要視する客であるためSSL証明書の秘密鍵は、暗号プロセッサによって守られることが望ましいからだ。ただICカードのICチップの外付けでも実現は可能な範囲だからCPUのSoCに暗号プロセッサが収まるメリットがどのくらいあるかということになるか。 ICF3はコストパフォーマンスの良い暗号プロセッサだが、現在、主流となっているSSL 2048bitの、すべてのケースを高速に演算することはできない。 セキュリティ重視で性能が低くてもいい場合は、どんなSSL 2048bitも演算は可能だ。 暗号プロセッサ ICF3で2048bitを高速に演算するためには2つの素数が、どちらも1024bit以下である必要がある。そこでSSLサーバー証明書を調べてみた。
Let’s Encrypt 高速演算可能(2つの素数のいづれも1024bit以下)
AlphaSSL 高速演算可能(2つの素数のいづれも1024bit以下)
調べ方は、opensslコマンドを使って秘密鍵のファイルを解析します。こんな感じ
openssl asn1parse -in key.txt
key.txtがDER形式だとDER形式を指定する必要がありますし、場合によっては -offset で秘密鍵の位置を指定する必要があります。
Let’s Encryptは将来にわたって高速演算可能である保証はない。高速に演算できない場合の性能でも不都合がないシステムを構築すれば安全だと思う。1999年に製造したLSIをベースにした性能値だが、高速に演算できる場合は1演算 13.4ms。それ以外の場合は 379ms。
コストパフォーマンスに優れるICF3を使うには、高速に演算できるSSL証明書を確保する方法でもいい。 専用サーバーを利用するようなセキュリティが必要な人は認証レベルの低いLet’s Encryptを使うことはなくて、認証レベルの高い有料のSSL証明書になる場合が多いのではないだろうか。有料だと高速に演算できる形式のSSL証明書を発行してくれる場合が多いと思うし、恐らく、現状、多くのSSL証明書は高速に演算可能なものだと思う(多分) ということなら、あまり心配することも、ないのかもしれない。
まとめ、ICF3はコストパフォーマンスに優れる暗号プロセッサ。
1999年のICF3の開発で日立の研究報告書に掲載されたもの。僕が担当して書いた部分から引用しました。インターネット上では初公開だと思う。日立が別途、インターネット上で公開していなければですが。 山形大学 城戸淳二(早稲田 理工OBらしい)さんの白色有機ELがノーベル賞の候補に上がるようになったとのことだ。Web上の研究室の研究内容には次のように書かれている。
モンゴメリ乗算も、基数(2とか、2の2048乗とかの数字)によって、多くのバリエーションを持つ。このため自動生成でRSA暗号プロセッサを作る論文もあったようだ。
情報処理学会論文誌 Vol.51 No.9 1847-1858(Sep.2010) ■推薦論文■ RSA暗号プロセッサ自動生成システムの設計と評価 (ルネサス、日立中央研究所、東北大学)
この論文、製品実装できるレベルのものが自動生成できているとは思えないし、自動生成しやすい実装になっている時点で、最高性能は期待できないと思っている。いくつかの基数に絞って、それに最適な実装を開発したほうが、いいのではないだろうか。
さて、モンゴメリ乗算は炭素に例えることができる。炭素はダイヤモンドになったり、グラファイトになったりするのだが、モンゴメリ乗算も基数によってダイヤモンドの結晶構造や、グラファイトの結晶構造になる。原子＝ANDゲートやORゲートなどの論理素子、と考える。論理素子の結合の仕方が、結晶に似ているという話。 昔、金沢大学だったろうか、２次元の結晶構造をもつRSA暗号演算器を研究していたように思うが、いろいろなところで、いろいろ研究されている。ICF3は１次元の結晶構造だが、これらをグラファイトに例えることができる。 一方、高基数のモンゴメリ乗算は３次元の結晶構造になりやすく、ダイヤモンドに例えることができるのです。高基数は理論的には高性能なのだが、実際にLSIの2次元平面状に配置して、RSA暗号の全工程を、計算させるには、非効率になる場合が多い。 IoTの暗号プロセッサとしてICF3のグラファイトの結晶構造が、今でも、有利だと思っているのです。
演算器の図を解説すると、これは4bit分のモンゴメリ乗算器。一番、左の1bit分の演算器が、少し他と違っている。2048bitの演算器を作っても、異なるのは、一番、左の1bitだけ。
ICF3はIoTデバイスに搭載する暗号プロセッサとして1999年製ながら奇跡的にジャストミートしています。その理由については、これまでいろいろ説明してきました。ここではIoTデバイスの原価を下げる暗号プロセッサについての説明です。
モンゴメリ乗算や中国人剰余定理などの海外の暗号演算アルゴリズムをなるべく使わないこと。海外の暗号演算アルゴリズムを使うと国産プロセッサとしての成果が海外に流れるので結果的に原価があがるということ。
ファームウェアの変更だけで暗号演算アルゴリズムを入れ替えて用途に応じた性能のアルゴリズムを選択できるようにする。
性能のコントロールだけでなくRSA暗号、楕円暗号の２つに対応すること。
IoTデバイスでは高性能な演算器、高性能なアルゴリズムよりも秘密鍵を漏洩させない暗号プロセッサが重要なのです。そしてCPUと比較して少ない資源、トランジスタ数で実装できること。
ICF3は1999年製ですがメインフレーム向けに開発されたため複数のファンクションを格納できるプログラムエリア(32bit×512ワード)がありました。IoT製品では、そのIoTで使う１ファンクションだけ実装すればいいので、プログラムを駆使することで、様々なことができることが、その理由です。
ICF3の1命令は、A,B,Cの３っつの1024bit演算レジスタを連結して1bit左シフトしながらA-Dの演算をしてA>=Dなら結果をAに格納して、引き算したことをCレジスタの最下位bitに記憶しておけるというようなことが可能な命令セットで、一般のCPUの命令セットとは異なり、場合によってはかなり効率的です。一方で汎用レジスタのコピーには3命令が必要。コピーしながら他の処理は可能。特定の演算を高速化するための機能が、プログラマの技量次第では、別なことにうまく使えて、かなり短いコードが書ける。
性能値は1999年のICF3のLSIの実測値と完全に同じ値が計算できるシミュレータで計算したもの。シミュレーションしていない予測値もあります。(←それでも、かなり正しい数字)
ICF3は0.27μの設計プロセスでした1999年では高価でしたが、現在では安価になっていると思うので、この性能値はかなり参考になるものだと思います。
RSA 2048bit
| 暗号演算アルゴリズム | 性能 | 試作コード有無 |
|---|---|---|
| モンゴメリ乗算＋中国人剰余定理 | 13.4ms | ○ |
| 中国人剰余定理 | 100ms | |
| モンゴメリ乗算 | 473ms | ○ |
| 海外アルゴリズム無し | 980ms | ○ |
RSA 4096bit
| 暗号演算アルゴリズム | 性能 | 試作コード有無 |
|---|---|---|
| モンゴメリ乗算＋中国人剰余定理 | 1000ms | ○ |
| 中国人剰余定理 | 2000ms |
詳しく知りたい人はWikiのモンゴメリ乗算や中国人剰余定理を見て欲しいのですが、モンゴメリ乗算はアメリカ人のPeter Montgomeryさんが1985年に発表したものです。中国人剰余定理は、どうも中国人が大昔に発明していたものらしいです。中国人剰余定理がIoTの原価を上げるか？という疑問はあります。しかしながら中国人剰余定理を使うと、実質的には、ほとんど影響しませんが、計算できないケースがあるので、使わない選択はあると思います。
ICF3は海外アルゴリズム無しでもRSA 2048bitで1秒を切る性能がでるのでICF3は純国産の暗号プロセッサとしても考えることができて、原価の安い暗号プロセッサです。ファームを入れ替えるだけで性能やアルゴリズムを変更できるため、これ１つで様々なIoTデバイスに対応できます。その結果、IoTの原価が下がる。
2017年6月13日 22:10 追加
性能値はファームウェアの改善で性能があがる場合があります。
ICF3は1024bitのモンゴメリ乗算器が2個ついています。簡単に取り外せます。場合によってはモンゴメリ乗算器をはずしたICF3も考えられると思います。モンゴメリ乗算のアルゴリズムを使っていてもモンゴメリ乗算器を使っているとは限りません。モンゴメリ乗算器を使っているのは表のうち一番上の13.4msのものだけです。
ICF3はモンゴメリ乗算器を搭載した暗号プロセッサで1999年に製品化、RSA暗号の性能で世界一でした。 現在、IoTデバイスに入れる電子証明書の秘密鍵を暗号プロセッサ内で演算させ秘密鍵を漏洩させないことでセキュリティを向上させたいという需要が沸いてきています。 運よく過去のICF3が、そのまま使えるという状況ですが、IoTデバイスの価格を抑えるためモンゴメリ乗算などのアルゴリズムを使いたくない、そういう需要もあるかもしれません (海外の技術に頼らず日本だけの技術の暗号プロセッサがいいというような)。 またIoTデバイスの価格を抑えるには楕円暗号よりはRSA暗号が有利であるためRSA暗号ができないといけない。 そういう条件をICF3は、満たすことが可能なのです。
https://openicf3.idletime.tokyo/
ICF3は暗号プロセッサなのでモンゴメリ乗算器を使わなくてもRSA暗号などの公開鍵暗号の演算が可能です。もちろん性能は落ちます。 まだマイクロコードの実装はしていませんが、おおよそRSA 2048bitで100ms弱の性能です。IoTデバイスの用途では、この性能で許容できるものは多いと思われます。 一つ目の選択はモンゴメリ乗算器を取り外したICF3を開発すること。もう一つの選択はハードウェアはそのままで、マイクロコードだけ変更してモンゴメリ乗算を使わない方法。 どちらの選択が有利になるのかは、時と場合によるのかもしれないので、有利になる方法を選択します。
モンゴメリ乗算器はプロセッサ部に食い込んだ実装になっていないので、取り外しは容易です。
確かにICF3はモンゴメリ乗算器を使うことを前提とした暗号プロセッサなので、他の暗号プロセッサより性能が落ちることはあるかもしれません。 しかし現在のIoTデバイスで沸いた需要は暗号プロセッサ内で演算させることで秘密鍵を漏洩させないことなので、性能が必要ない場合が多いのです。 用途によっては、シビアなレスポンスが必要になって性能が要求される場合もあると思います。 そういう場合には、モンゴメリ乗算器を使ってRSA 2048bitを13.4msで演算させることができます。
まずICF3の暗号プロセッサにはパイプラインはありません(フェッチ、デコード、実行みたいなステートがない)。またメモリもなくて16本の汎用レジスタを使って演算します。 もうそれだけでCPUの技術のほとんどが関係なくなっていると思います。 ICF3は32bitの命令セットのようですが、実は、制御信号の集合体なだけで、CPUのような命令コードが単一の意味をもつ命令セットとは異なります。 少ない制御信号で、様々な演算が可能であることが、ICF3の特長であり、CPUの技術とはあまり関係していないということです。
2017年6月5日 3:20PM 追加
次のURLにモンゴメリ乗算器 0個(汎用演算器で演算)の性能がありますが、これはモンゴメリ乗算器は使っていないものの、マイクロコードでモンゴメリ乗算のアルゴリズムを使っている場合の性能値になります。 この投稿で言っているモンゴメリ乗算のアルゴリズムを使わない性能値とは異なるので、注意してください。 モンゴメリ乗算のアルゴリズムを使わないRSA 2048bit(中国人剰余定理)は前述しましたが、100ms弱の予想です。
