Design and Implementation of SHA-256 Accelerator on FPGA for Edge Devices

Stellen Sie sich das Internet als eine riesige, geschäftige Stadt vor, in der Milliarden von Geräten ständig chatten, Geheimnisse teilen und Geld bewegen. Um diese Stadt vor Dieben und Lügnern zu schützen, verwenden die Bewohner eine besondere Art von digitalem Siegel, das man „Hash“ nennt. Betrachten Sie einen Hash wie einen Fingerabdruck für ein Stück Daten: Wenn Sie auch nur einen einzigen Buchstaben anders tippen, verändert sich der Fingerabdruck vollständig, was beweist, dass die Nachricht manipuliert wurde. Eines der vertrauenswürdigsten Siegel in dieser Stadt heißt SHA-256. Es ist ein komplexes mathematisches Rätsel, das jede Nachricht in eine feste Zeichenfolge aus Zahlen verwandelt. Während Computer gut darin sind, solche Rätsel zu lösen, können sie langsam sein und viel Elektrizität verschlingen, besonders wenn es sich um winzige Geräte wie intelligente Sensoren oder IoT-Gadgets handelt, die mit Batterien betrieben werden. Wenn diese kleinen Geräte zu viel Strom verbrauchen, um ihre Daten zu sichern, sterben ihre Batterien schnell und das Sicherheitsnetz der Stadt wird dunkel.

Hier kommt die Geschichte von Gunjan Thakur und ihrem Team ins Spiel. Sie stellten eine einfache Frage: Können wir eine winzige, super-effiziente Maschine bauen, um diese SHA-256-Rätsel zu lösen, ohne die Batterie zu leeren? Sie haben nicht einfach nur ein Computerprogramm geschrieben, um die Mathematik zu erledigen; sie haben einen speziellen Hardware-Beschleuniger für Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) entworfen, die wie Lego-Platten für Elektronik sind, die so umgestaltet werden können, dass sie zu jeder Aufgabe passen. Ihr Ziel war es, ein Design zu schaffen, das schnell genug ist, um mit dem Geplapper der Stadt Schritt zu halten, aber sanft genug zum Stromverbrauch, um den Geräten eine lange Lebensdauer zu ermöglichen.

Die wichtigste Entdeckung des Teams ist eine clevere neue Art, die Mathematik innerhalb dieser Hardware zu organisieren. Stellen Sie sich vor, Sie sind ein Bäcker, der eine bestimmte Art von Keks backt, die 64 Schritte erfordert. Normalerweise würden Sie einen Schritt machen, warten, den nächsten machen und so weiter. Die Forscher entschieden sich für eine Technik namens „2X Loop Unrolling“. In ihrem Design erledigt die Maschine nicht einfach nur einen Schritt nach dem anderen; sie greift zwei Schritte und erledigt diese gleichzeitig in einem einzigen Herzschlag. Es ist, als hätte man einen Bäcker mit zwei Sätzen Händen, der zwei Teigportionen zur exakt gleichen Zeit mischen kann. Um sicherzustellen, dass diese Geschwindigkeit keine Energie verschwendet, fügten sie auch „Clock Gating“ hinzu. Betrachten Sie dies als einen intelligenten Lichtschalter, der den Strom für jeden Teil der Maschine, der gerade nicht arbeitet, automatisch ausschaltet, damit keine Energie an ungenutzten Zahnrädern verschwendet wird.

Als sie dieses neue Design auf einer speziellen Platine namens Nexys A7 testeten, waren die Ergebnisse vielversprechend. Die Maschine lief mit einer Geschwindigkeit von 50 MHz und schaffte es, 1,47 Millionen Hashes pro Sekunde zu verarbeiten (1,47 Mhps). Vielleicht noch wichtiger ist, dass sie dies mit nur 0,11 Watt Leistung schaffte. Wenn man vergleicht, wie viel Arbeit sie im Verhältnis zu der verwendeten Energie leistete, erreichte das Design eine Energieeffizienz von 13,37 Mhps/W. Die Forscher verglichen ihre Arbeit mit anderen Designs und fanden heraus, dass einige andere Maschinen zwar schneller waren, aber Strom wie ein Sportwagen verschlangen, und andere zwar sparsam, aber zu langsam waren. Ihr Design hingegen fand einen Mittelweg und bot einen ausgewogenen Kompromiss, der für die ressourcenbeschränkte Welt der Edge-Geräte geeignet ist.

Es ist wichtig anzumerken, dass diese Ergebnisse durch Simulationen und Tests auf der genannten spezifischen FPGA-Platine erzielt wurden und nicht durch den Betrieb des Geräts in einer echten Stadt voller unvorhersehbarer Variablen. Das Team verifizierte, dass ihre Maschine die korrekten digitalen Fingerabdrücke für 100 verschiedene Testnachrichten produzierte und die erwarteten Ergebnisse perfekt lieferte. Sie zeigten auch, dass ihr Design relativ wenig Ressourcen der Platine beanspruchte und nur etwa 3,92 % der verfügbaren Logikblöcke einnahm. Sie behaupteten nicht, dass dies das absolut schnellste oder leistungsstärkste Design je gemachte sei, aber sie demonstrierten, dass es eine hocheffiziente Lösung für Umgebungen mit geringem Stromverbrauch ist. Durch die Kombination der „Zwei-Schritte-gleichzeitig“-Verarbeitung mit intelligenten Energiesparschaltern haben sie bewiesen, dass es möglich ist, Edge-Geräte sicher zu halten, ohne deren Batterielebensdauer zu opfern.