量子計(jì)算是把雙刃劍？后量子時(shí)代如何守護(hù)SoC安全
股票期權(quán)定價(jià)、藥物研發(fā)和欺詐檢測(cè)，這三者有什么共同點(diǎn)？那就是都在用海量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、精確的計(jì)算來提供可行性方案?，F(xiàn)在大規(guī)模應(yīng)用計(jì)算能力堪比超級(jí)計(jì)算機(jī)，需要更多的處理能力和容量，這時(shí)就需要量子計(jì)算機(jī)登場(chǎng)了。 量子計(jì)算能夠以巨大的性能優(yōu)勢(shì)、更大的容量和更高的精度更有效地解決當(dāng)今一些棘手的問題，這種驚人的能力也帶來了一個(gè)新的難題：一旦量子計(jì)算機(jī)幾年后問世，這些算力很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)將能夠攻破當(dāng)前的公鑰密碼系統(tǒng)，并削弱對(duì)稱密碼算法的安全性。這勢(shì)必會(huì)對(duì)數(shù)字通信的完整性和保密性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因?yàn)槲覀兯械臄?shù)字通信都依賴于加密、數(shù)字簽名和使用數(shù)字證書的通信協(xié)議來保證真實(shí)性。 很難準(zhǔn)確地說量子計(jì)算機(jī)何時(shí)會(huì)實(shí)現(xiàn)商用普及，但業(yè)內(nèi)專家預(yù)計(jì)是在10到15年后。雖然看起來很遙遠(yuǎn)，但我們已經(jīng)處在后量子安全的拐點(diǎn)上，因?yàn)槿绻O(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)生命周期較長(zhǎng)或通信數(shù)據(jù)必須長(zhǎng)期保密，便需要能夠升級(jí)到量子安全解決方案。這并非易事，具體原因有幾點(diǎn)：新公鑰密碼算法的標(biāo)準(zhǔn)化工作仍在進(jìn)行當(dāng)中；有很多候選算法，其中一些算法在實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化之前或之后可能會(huì)被破解；而且總的來說，向后量子世界的遷移將比過去經(jīng)歷過的轉(zhuǎn)變復(fù)雜得多。 本文將詳細(xì)介紹后量子密碼學(xué)（PQC）問題的緊迫性。另外，本文將介紹當(dāng)下如何保護(hù)SoC設(shè)計(jì)，確保SoC能夠抵御未來不法分子利用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行攻擊的威脅。
量子計(jì)算將能攻破當(dāng)前的
密碼方案
目前的量子計(jì)算機(jī)無法攻破當(dāng)前的密碼方案，但考慮到量子計(jì)算的特點(diǎn)，攻破只是時(shí)間問題。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)以二進(jìn)制位（用1或0表示）形式儲(chǔ)存信息，一次可以處理一組輸入和一個(gè)計(jì)算，因此可以按順序處理信息。另一方面，量子計(jì)算機(jī)基于一種不同的范式──量子物理學(xué)，并使用量子比特，能夠以疊加的狀態(tài)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)可以是0和/或1。因此，量子計(jì)算可以并行探索所有可能的路徑，只需幾分鐘即可解決一些最復(fù)雜的問題，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)則可能需要數(shù)千年。 不過，這種算力也意味著量子計(jì)算機(jī)最終將能攻破目前互聯(lián)網(wǎng)上常用于保護(hù)敏感數(shù)據(jù)的公鑰密碼方案。公鑰密碼技術(shù)亦稱非對(duì)稱密碼技術(shù)，使用由密碼算法生成的一對(duì)公鑰和私鑰。雖然公鑰可以公開分發(fā)而不影響安全性，但私鑰必須加以保密，才能保持安全級(jí)別。數(shù)據(jù)可以用公鑰加密，并只能用相應(yīng)的私鑰解密。 非對(duì)稱密碼技術(shù)提供了機(jī)密性、真實(shí)性和不可否認(rèn)性。它是構(gòu)成許多互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)的一部分，此類標(biāo)準(zhǔn)包括傳輸層安全協(xié)議（TLS）、安全外殼協(xié)議（SSH）、S/MIME和優(yōu)良保密協(xié)議（PGP）。公鑰密碼技術(shù)也用于電子郵件流量和數(shù)字簽名。 常見的公鑰密碼實(shí)現(xiàn)采用來自Rivest-Shamir-Adelman（RSA）和橢圓曲線密碼學(xué)（ECC）的算法。這些算法依賴于求解數(shù)學(xué)問題的難度，例如在RSA中進(jìn)行大數(shù)因子分解和在ECC中對(duì)大量數(shù)據(jù)求解離散對(duì)數(shù)問題。 量子計(jì)算機(jī)不會(huì)破解對(duì)稱算法，但會(huì)削弱其安全性。為了緩解這種情況，將需要使用更大的密鑰。對(duì)稱密碼技術(shù)使用相同的密鑰來對(duì)消息進(jìn)行加密和解密。對(duì)稱算法不僅提供了機(jī)密性，而且速度比非對(duì)稱加密技術(shù)更快，通常用于數(shù)據(jù)量更大的情形。高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）就是這樣的一個(gè)算法示例。而在保護(hù)消息的完整性方面，則使用的是哈希算法，比如安全哈希算法（SHA）。與對(duì)稱算法類似，哈希算法的安全級(jí)別也會(huì)被量子計(jì)算機(jī)削弱；但通過采用更大的輸出，它們?nèi)匀荒軐?shí)現(xiàn)量子安全。 迄今為止，最大的量子計(jì)算機(jī)大約為400個(gè)物理量子比特；要破解ECC-256，將需要1500個(gè)邏輯量子比特（相當(dāng)于數(shù)百萬個(gè)物理量子比特）；而要破解RSA-2048，則需要4000個(gè)邏輯量子比特。
量子計(jì)算后
如何保護(hù)芯片設(shè)計(jì)
一旦量子計(jì)算機(jī)攻破當(dāng)前的密碼方案，會(huì)發(fā)生什么？不法分子將能夠解密和訪問我們目前通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送的所有信息。當(dāng)下生產(chǎn)的許多電子設(shè)備和系統(tǒng)使用壽命為10年或以上，與量子計(jì)算機(jī)預(yù)計(jì)將投入商用的時(shí)間相當(dāng)。此外，未來當(dāng)量子計(jì)算機(jī)問世時(shí)，如今捕獲和儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)或許之后能夠被離線解碼。因此，不僅要考慮設(shè)備的使用壽命，還要考慮數(shù)據(jù)需要保密的時(shí)限。 大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)一直在積極研究PQC解決方案，現(xiàn)在是時(shí)候在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)開始考慮確保所用機(jī)制能防御這種計(jì)算敏捷能力所帶來的威脅了。值得考慮的機(jī)制包括：
- 針對(duì)對(duì)稱和哈希加密使用更大的密鑰和更大的輸出。例如，如果對(duì)稱算法中使用256位密鑰，則在后量子環(huán)境中仍然可以提供128位安全級(jí)別。
- 實(shí)施靈活加密，使算法能夠適應(yīng)PQC環(huán)境，并使您的設(shè)計(jì)不依賴于特定的算法?？紤]由硬件和嵌入式固件組成的可編程設(shè)計(jì)，其中硬件可以加速主要密碼原語以獲得性能和功率優(yōu)勢(shì)，而固件實(shí)施更高級(jí)別的算法，從而為更新提供靈活性，以繼續(xù)適應(yīng)不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)/算法。
- 實(shí)施同時(shí)采用傳統(tǒng)算法和PQC算法的混合解決方案，即使其中一種算法被破解，解決方案也能保持安全。
引領(lǐng)量子安全未來
向后量子密碼學(xué)及其配套基礎(chǔ)設(shè)施的過渡非常復(fù)雜，需要很長(zhǎng)時(shí)間。在行業(yè)致力于PQC標(biāo)準(zhǔn)化之際，作為安全I(xiàn)P和密碼解決方案領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)，新思科技現(xiàn)在能夠?yàn)?a target="_blank">開發(fā)者們提供多種量子安全產(chǎn)品，具體包括：
- 密碼學(xué)核心：對(duì)稱加密引擎、真隨機(jī)數(shù)生成器（TRNG）和公鑰加速器（PKA），這些都在不斷發(fā)展，以便與最新的NIST PQC候選算法保持一致
- 安全協(xié)議加速器（SPAcc），用于有效加速安全標(biāo)準(zhǔn)中要求的對(duì)稱和哈希/MAC密碼套件
- 具有信任根的硬件安全模塊和接口安全模塊，為保護(hù)SoC及其數(shù)據(jù)提供了完整的解決方案
- 處理解決方案，用于在軟件中執(zhí)行安全算法，可選擇使用CryptoPack指令加速
量子計(jì)算機(jī)發(fā)展前景廣闊，有望幫助我們解決一些最大的全球問題。其快速而詳盡的計(jì)算水平可以將海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為切實(shí)可行的見解來助力應(yīng)對(duì)復(fù)雜的挑戰(zhàn)。量子計(jì)算最終將能攻破當(dāng)前保護(hù)眾多敏感數(shù)據(jù)的密碼方案，所以當(dāng)下在設(shè)計(jì)中務(wù)必要考慮后量子密碼學(xué)。隨著在安全方面的持續(xù)投入，特別是提供靈活的加密解決方案，新思科技已準(zhǔn)備好協(xié)助開發(fā)者們完成這一重要的過渡，順利邁進(jìn)下一個(gè)計(jì)算時(shí)代。
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原文標(biāo)題：量子計(jì)算是把雙刃劍？后量子時(shí)代如何守護(hù)SoC安全
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