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

인터넷을 수십억 개의 기기들이 끊임없이 대화를 나누고, 비밀을 공유하며, 돈을 움직이는 거대하고 북적이는 도시라고 상상해 보세요. 이 도시를 도둑과 거짓말쟁이로부터 안전하게 지키기 위해, 주민들은 '해시(hash)'라고 불리는 특별한 종류의 디지털 인장을 사용합니다. 해시를 데이터의 고유한 지문이라고 생각하면 쉽습니다. 만약 글자를 단 하나라도 다르게 입력하면 지문이 완전히 바뀌어 버리는데, 이는 메시가 변조되었음을 증정하는 증거가 됩니다. 이 도시에서 가장 신뢰받는 인장 중 하나는 SHA-256이라 불립니다. 이것은 어떤 메시지든 고정된 길이의 숫자 문자열로 변환하는 복잡한 수학 퍼즐입니다. 컴퓨터는 이 퍼즐을 푸는 데 능숙하지만, 특히 배터리로 작동하는 스마트 센서나 IoT 기기와 같은 작은 장치들에게는 속도가 느리고 전기를 많이 잡아먹을 수 있습니다. 만약 이 작은 기기들이 데이터를 잠그기 위해 너무 많은 전력을 낭비한다면, 배터리가 빨리 소모되어 도시의 보안 네트워크가 암흑에 빠질 수 있기 때문입니다.

여기서 건잔 타쿠르(Gunjan Thakur)와 그 팀의 이야기가 시작됩니다. 그들은 단순한 질문을 던졌습니다. "배터리를 방전시키지 않고도 이 SHA-256 퍼즐을 풀 수 있는 작고 초효율적인 기계를 만들 수 있을까?" 그들은 단순히 수학 계산을 수행하는 컴퓨터 프로그램을 작성한 것이 아니라, 어떤 작업에도 맞춰 형태를 바꿀 수 있는 레고 판과 같은 전자 부품인 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 위한 맞춤형 하드웨어 가속기를 설계했습니다. 그들의 목표는 도시의 대화 속도를 따라갈 만큼 충분히 빠르면서도, 기기들이 오랫동안 지속될 수 있도록 전력 소모가 적은 설계를 만드는 것이었습니다.

연구팀의 주요 발견은 이 하드웨어 내부의 수학을 조직하는 영리하고 새로운 방법입니다. 여러분이 64단계가 필요한 특정 종류의 쿠키를 만드는 제빵사라고 상상해 보세요. 보통은 한 단계를 수행하고 기다렸다가 다음 단계를 진행합니다. 연구진은 '2X 루프 언롤링(2X loop unrolling)'이라는 기술을 사용하기로 결정했습니다. 이 설계에서 기계는 한 번에 한 단계씩 수행하는 것이 아니라, 두 단계를 한꺼번에 잡아서 단 한 번의 심장 박동(클록 사이클) 안에 동시에 수행합니다. 이는 마치 두 종류의 반죽을 동시에 섞을 수 있는 두 쌍의 손을 가진 제빵사와 같습니다. 이 속도가 에너지를 낭비하지 않도록 하기 위해, 그들은 또한 '클록 게이팅(clock gating)'을 추가했습니다. 이것은 현재 작동하지 않는 부분의 전원을 자동으로 차단하여, 유휴 상태의 부품에 에너지가 낭비되지 않도록 하는 스마트한 전등 스위치와 같습니다.

연구진이 Nexys A7이라는 특정 회로 보드에서 이 새로운 설계를 테스트했을 때, 결과는 유망했습니다. 이 기계는 50 MHz의 속도로 작동하며 초당 1.47백만 개의 해시(1.47 Mhps)를 처리할 수 있었습니다. 아마도 더 중요한 점은, 이 기계가 단 0.11와트(Watts)의 전력만을 사용하면서 이 모든 일을 해냈다는 것입니다. 작업량과 사용된 에너지를 비교했을 때, 이 설계는 13.37 Mhps/W의 에너지 효율을 달acia했습니다. 연구진은 자신들의 결과물을 다른 설계들과 비교했는데, 일부 기계는 더 빠르지만 스포츠카처럼 전기를 들이부었고, 다른 것들은 검소하지만 너무 느렸습니다. 하지만 그들의 설계는 자원 제약이 있는 엣지(edge) 기기의 세계에 적합한 균형 잡힌 절충안을 제공하며 최적의 지점을 찾아냈습니다.

이러-결과들은 예측 불가능한 변수들이 가득한 실제 도시에서 장치를 실행한 것이 아니라, 시뮬레이션과 언급된 특정 FPGA 보드에서의 테스트를 통해 얻어진 결과라는 점에 유의해야 합니다. 팀은 자신들의 기계가 100개의 서로 다른 테스트 메시지에 대해 정확한 디지털 지문을 생성하여 예상 결과와 완벽하게 일치함을 검증했습니다. 또한 그들은 자신들의 설계가 보드의 가용 로직 블록 중 약 3.92%만을 차지하며 비교적 적은 양의 자원을 사용한다는 것을 보여주었습니다. 그들이 이 설계가 역사상 가장 빠르거나 강력한 설계라고 주장한 것은 아니지만, 저전력 환경을 위한 매우 효율적인 솔루션임을 입증했습니다. '두 번에 한 번씩' 처리하는 방식과 스마트한 전력 절약 스위치를 결합함으로써, 그들은 엣지 기기의 배터리 수명을 희생하지 않고도 보안을 유지하는 것이 가능하다는 것을 증명했습니다.