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

इंटरनेट की कल्पना एक विशाल, हलचल भरे शहर के रूप में करें जहाँ अरबों उपकरण लगातार आपस में बातें कर रहे हैं, रहस्य साझा कर रहे हैं और पैसा इधर-उधर भेज रहे हैं। इस शहर को चोरों और झूठ बोलने वालों से सुरक्षित रखने के लिए, निवासी एक विशेष प्रकार की डिजिटल सील का उपयोग करते हैं जिसे "हैश" कहा जाता है। एक हैश को डेटा के एक अनूठे फिंगरप्रिंट की तरह समझें: यदि आप एक अक्षर भी अलग टाइप करते हैं, तो फिंगरप्रिंट पूरी तरह बदल जाता है, जो यह साबित करता है कि संदेश के साथ छेड़छाड़ की गई है। इस शहर में सबसे भरोसेमंद सीलों में से एक को SHA-256 कहा जाता है। यह एक जटिल गणितीय पहेली है जो किसी भी संदेश को संख्याओं की एक निश्चित स्ट्रिंग में बदल देती है। हालाँकि कंप्यूटर इन पहेलियों को सुलझाने में कुशल होते हैं, लेकिन वे धीमे और बिजली के भूखे हो सकते हैं, खासकर छोटे उपकरणों जैसे कि स्मार्ट सेंसर या IoT गैजेट्स के लिए जो बैटरी पर चलते हैं। यदि ये छोटे उपकरण अपने डेटा को लॉक करने के लिए बहुत अधिक शक्ति बर्बाद करते हैं, तो उनकी बैटरी जल्दी खत्म हो जाती है, और शहर का सुरक्षा नेटवर्क अंधेरे में डूब जाता है।

यहीं से गुंजन ठाकुर और उनकी टीम की कहानी शुरू होती है। उन्होंने एक सरल प्रश्न पूछा: क्या हम बैटरी को खत्म किए बिना इन SHA-256 पहेलियों को हल करने के लिए एक छोटा, अत्यंत कुशल मशीन बना सकते हैं? उन्होंने केवल इस गणित को करने के लिए एक कंप्यूटर प्रोग्राम नहीं लिखा; उन्होंने विशेष रूप से फील्ड प्रोग्रामेबल गेट एरेज़ (FPGAs) के लिए एक कस्टम हार्डवेयर एक्सेलेरेटर डिज़ाइन किया, जो इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए लेगो बोर्ड की तरह हैं जिन्हें किसी भी काम के अनुसार नया आकार दिया जा सकता है। उनका लक्ष्य एक ऐसा डिज़ाइन बनाना था जो शहर की हलचल के साथ तालमेल बिठाने के लिए पर्याप्त तेज़ हो, लेकिन बिजली के मामले में इतना सौम्य हो कि उपकरण लंबे समय तक चल सकें।

टीम की मुख्य खोज इस हार्डवेयर के भीतर गणित को व्यवस्थित करने का एक चतुर नया तरीका है। कल्पना कीजिए कि आप एक विशिष्ट प्रकार का कुकी (cookie) बना रहे हैं जिसमें 64 चरण शामिल हैं। आमतौर पर, आप एक चरण करेंगे, प्रतीक्षा करेंगे, फिर अगला करेंगे, और इसी तरह। शोधकर्ताओं ने "2X लूप अनरोलिंग" नामक तकनीक का उपयोग करने का निर्णय लिया। उनके डिज़ाइन में, मशीन केवल एक समय में एक चरण नहीं करती है; बल्कि यह दो चरणों को पकड़ती है और उन्हें एक ही धड़कन (heartbeat) में एक साथ करती है। यह एक ऐसे बेकर की तरह है जिसके पास दो हाथ हैं जो एक ही समय में आटे के दो बैचों को मिला सकता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह गति ऊर्जा बर्बाद न करे, उन्होंने इसमें "क्लॉक गेटिंग" भी जोड़ा। इसे एक स्मार्ट लाइट स्विच की तरह समझें जो स्वचालित रूप से मशीन के उस हिस्से की बिजली बंद कर देता है जो वर्तमान में काम नहीं कर रहा है, ताकि खाली चलते गियर्स पर कोई ऊर्जा बर्बाद न हो।

जब उन्होंने इस नए डिज़ाइन का परीक्षण एक विशिष्ट सर्किट बोर्ड, नेक्सिस ए7 (Nexys A7) पर किया, तो परिणाम उत्साहजनक थे। मशीन 50 MHz की गति पर चली और प्रति सेकंड 1.47 मिलियन हैश (1.47 Mhps) को प्रोसेस करने में सक्षम रही। शायद इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इसने यह सब केवल 0.11 वॉट की बिजली का उपयोग करके किया। जब आपने तुलना की कि इसने कितने काम के लिए कितनी ऊर्जा का उपयोग किया, तो डिज़ाइन ने 13.37 Mhps/W की ऊर्जा दक्षता हासिल की। जब शोधकर्ताओं ने अपने काम की तुलना अन्य डिज़ाइनों से की, तो उन्होंने पाया कि जबकि कुछ अन्य मशीनें तेज़ थीं, वे एक स्पोर्ट्स कार की तरह बिजली पी जाती थीं, और अन्य किफायती थीं लेकिन बहुत धीमी थीं। हालाँकि, उनके डिज़ाइन ने एक 'स्वीट स्पॉट' (संतुलित बिंदु) खोजा, जो एक संतुलित ट्रेड-ऑफ प्रदान करता है जो एज डिवाइसेस (edge devices) की संसाधन-सीमित दुनिया के लिए उपयुक्त है।

यह ध्यान देना महत्वपूर्ण है कि ये परिणाम सिमुलेशन और उल्लेखित विशिष्ट FPGA बोर्ड पर किए गए परीक्षणों के माध्यम से प्राप्त किए गए थे, न कि वास्तविक दुनिया के अनिश्चित चरों से भरे शहर में डिवाइस चलाकर। टीम ने सत्यापित किया कि उनकी मशीन ने 100 विभिन्न परीक्षण संदेशों के लिए सही डिजिटल फिंगरप्रिंट बनाए, जो अपेक्षित परिणामों से पूरी तरह मेल खाते थे। उन्होंने यह भी दिखाया कि उनके डिज़ाइन ने बोर्ड के संसाधनों का अपेक्षाकृत कम हिस्सा लिया, जिसमें केवल 3.92% उपलब्ध लॉजिक ब्लॉक्स का उपयोग हुआ। हालांकि उन्होंने यह दावा नहीं किया कि यह अब तक का सबसे तेज़ या सबसे शक्तिशाली डिज़ाइन है, उन्होंने प्रदर्शित किया कि यह कम-शक्ति वाले वातावरण के लिए एक अत्यधिक कुशल समाधान है। "दो-एक-साथ" प्रोसेसिंग को स्मार्ट पावर-सेविंग स्विच के साथ जोड़कर, उन्होंने साबित किया कि बैटरी जीवन से समझौता किए बिना एज डिवाइसेस को सुरक्षित रखना संभव है।