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

Immaginate Internet come una città gigantesca e frenetica dove miliardi di dispositivi chiacchierano costantemente, condividendo segreti e spostando denaro. Per mantenere questa città al sicuro da ladri e bugiardi, i residenti utilizzano un tipo speciale di sigillo digitale chiamato "hash". Pensate a un hash come a un'impronta digitale unica per un pezzo di dati: se scrivete anche una sola lettera in modo diverso, l'impronta digitale cambia completamente, dimostrando che il messaggio è stato manomesso. Uno dei sigilli più affidabili in questa città si chiama SHA-256. È un complesso rompicapo matematico che trasforma qualsiasi messaggio in una sequenza fissa di numeri. Sebbene i computer siano bravi a risolvere questi enigmi, possono essere lenti e voraci di elettricità, specialmente quando si tratta di piccoli dispositivi come sensori intelligenti o gadget IoT che funzionano a batterie. Se questi piccoli dispositivi sprecano troppa energia cercando di bloccare i propri dati, le loro batterie si esauriscono rapidamente e la rete di sicurezza della città va in blackout.

È qui che entra in gioco la storia di Gunjan Thakur e del suo team. Si sono posti una domanda semplice: possiamo costruire una macchina minuscola e super efficiente per risolvere questi rompicapi SHA-256 senza esaurire la batteria? Non si sono limitati a scrivere un programma per computer per fare la matematica; hanno progettato un acceleratore hardware personalizzato specificamente per i Field Programmable Gate Arrays (FPGA), che sono come schede Lego per l'elettronica che possono essere rimodellate per adattarsi a qualsiasi compito. Il loro obiettivo era creare un design abbastanza veloce da stare al passo con il chiacchiericcio della città, ma abbastanza delicato sul consumo energetico da permettere ai dispositivi di durare a lungo.

La scoperta principale del team è un nuovo modo intelligente di organizzare la matematica all'interno di questo hardware. Immaginate di essere un pasticcere che prepara un tipo specifico di biscotto che richiede 64 passaggi. Di solito, fareste un passaggio, aspettereste, ne fareste un altro, e così via. I ricercatori hanno deciso di utilizzare una tecnica chiamata "2X loop unrolling". Nel loro design, la macchina non esegue solo un passaggio alla volta; ne afferra due e li esegue simultaneamente in un unico battito cardiaco. È come avere un pasticcere con due paia di mani che può mescolare due impasti nello stesso istante. Per assicurarsi che questa velocità non sprechi energia, hanno anche aggiunto il "clock gating". Pensate a questo come a un interruttore intelligente che spegne automaticamente l'energia a qualsiasi parte della macchina che non sta lavorando in quel momento, in modo che non venga sprecata energia in ingranaggi inattivi.

Quando hanno testato questo nuovo design su una specifica scheda circuitale chiamata Nexys A7, i risultati sono stati promettenti. La macchina girava a una velocità di 50 MHz e riusciva a elaborare 1,47 milioni di hash al secondo (1,47 Mhps). Forse più importante, ha fatto tutto questo utilizzando solo 0,11 Watt di potenza. Quando confrontate quanto lavoro è stato svolto rispetto a quanta energia è stata utilizzata, il design ha raggiunto un'efficienza energetica di 13,37 Mhps/W. I ricercatori hanno confrontato il loro lavoro con altri design e hanno scoperto che, mentre alcune altre macchine erano più veloci, consumavano energia come un'auto sportiva, e altre erano parsimoniose ma troppo lente. Il loro design, tuttavia, ha trovato un punto di equilibrio, offrendo un compromesso bilanciato che lo rende adatto al mondo dei dispositivi edge con risorse limitate.

È importante notare che questi risultati sono stati ottenuti attraverso simulazioni e test sulla specifica scheda FPGA menzionata, non eseguendo il dispositivo in una città reale piena di variabili imprevedibili. Il team ha verificato che la loro macchina produceva le corrette impronte digitali per 100 diversi messaggi di test, corrispondendo perfettamente ai risultati attesi. Hanno anche dimostrato che il loro design utilizzava una quantità relativamente piccola delle risorse della scheda, occupando solo circa il 3,92% dei blocchi logici disponibili. Sebbene non abbiano sostenuto che questo sia il design più veloce o più potente mai creato, hanno dimostrato che è una soluzione altamente efficiente per ambienti a bassa potenza. Combinando l'elaborazione "due alla volta" con gli interruttori intelligenti di risparmio energetico, hanno provato che è possibile mantenere sicuri i dispositivi edge senza sacrificare la durata della loro batteria.