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

インターネットを、何十億ものデバイスが絶えずチャットをし、秘密を共有し、お金を動かしている、巨大で賑やかな都市だと想像してみてください。この都市を泥棒や嘘つきから守るために、住民たちは「ハッシュ」と呼ばれる特別な種類のデジタル封印を使用しています。ハッシュを、データの指紋のようなものだと考えてください。もし一文字でも違った入力をすれば、指紋は完全に変わってしまい、メッセージが改ざんされたことを証明します。この都市で最も信頼されている封印の一つが、SHA-256と呼ばれるものです。これは、どんなメッセージも固定された数字の列に変えてしまう複雑な数学パズルです。コンピュータはこのパズルを解くのが得意ですが、特にスマートセンサーやIoTガジェットのような、バッテリーで動く小さなデバイスにとっては、動作が遅かったり電力を大量に消費したりすることがあります。これらの小さなデバイスがデータをロックしようとして電力を使いすぎると、バッテリーがすぐに切れてしまい、都市のセキュリティネットワークが暗闇に包まれてしまいます。

ここで、グンジャン・タクール（Gunjan Thakur）とそのチームの物語が登場します。彼らはシンプルな問いを投げかけました。「バッテリーを消耗させることなく、このSHA-256のパズルを解くための、小さくて超効率的なマシンを作れるだろうか？」と。彼らは単に数学を行うためのコンピュータプログラムを書いたのではありません。彼らは、どんな仕事にも形を変えられる電子部品のレゴボードのようなものである、FPGA（Field Programmable Gate Array）専用のカスタム・ハードウェア・アクセラレータを設計したのです。彼らの目標は、都市のチャットについていけるほど速く、かつデバイスを長持ちさせるほど電力に優しい設計を作ることでした。

チームの主な発見は、このハードウェア内部の数学を構成する、巧妙で新しい方法です。あなたが、64のステップを必要とする特定の種類のクッキーを作るパン屋だと想像してください。通常、あなたは一つのステップを行い、待ち、次のステップを行う、といった具合に進めます。研究者たちは、「2Xループ展開（2X loop unrolling）」と呼ばれるテクニックを採用することにしました。彼らの設計では、マシンは一度に一つのステップを行うだけでなく、二つのステップを掴み取り、一度の鼓動（ハートビート）の中で同時に実行します。それは、二組の手を持つパン屋が、同時に二つの生地の塊を混ぜ合わせるようなものです。このスピードがエネルギーを無駄にしないように、彼らは「クロックゲーティング（clock gating）」も追加しました。これは、現在作業していないマシンの部分への電力を自動的に遮断する、スマートな照明スイッチのようなもので、アイドリング状態のギアにエネルギーが浪費されないようにします。

彼らがこの新しい設計をNexys A7と呼ばれる特定の回路ボードでテストしたところ、結果は有望なものでした。マシンは50 MHzの速度で動作し、毎秒147万個のハッシュ（1.47 Mhps）を処理することができました。おそらくより重要なのは、これをわずか0.11ワットの電力で行ったことです。どれだけの仕事をしたかをどれだけのエネルギーを使ったかで比較すると、この設計は13.37 Mhps/Wのエネルギー効率を達成しました。研究者たちが自分たちの設計を他の設計と比較したところ、他のマシンの中には、より速いものもありますが、スポーツカーのように電力をむさぼり食うものがあり、また、質素ではあるものの遅すぎるものもありました。しかし、彼らの設計は、エッジデバイスの制約の多い世界に適した、バランスの取れたトレードオフを提供する「スイートスポット」を見つけ出したのです。

これらの結果は、シミュレーションおよび言及された特定のFPGAボード上でのテストを通じて達成されたものであり、予測不可能な変数に満ちた現実世界の都市でデバイスを稼働させた結果ではないことに注意が必要です。チームは、彼らのマシンが100種類の異なるテストメッセージに対して正しいデジタル指紋を生成し、期待される結果と完全に一致することを検証しました。また、彼らの設計がボードの利用可能なリソースのわずか約3.92%のロジックブロックしか使用していないことも示しました。彼らは、これがこれまで作られた中で絶対的に最速または最強の設計であると主張したわけではありませんが、低電力環境において非常に効率的なソリューションであることを証明しました。「二つ同時」の処理とスマートな節電スイッチを組み合わせることで、バッテリー寿命を犠牲にすることなく、エッジデバイスのセキュリティを維持できることを彼らは証明したのです。