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

想象一下，互联网是一座巨大的、繁忙的城市，数以十亿计的设备在这里不断地聊天、分享秘密并移动资金。为了保护这座城市免受窃贼和骗子的侵害，居民们使用了一种特殊的数字印章，叫做“哈希”（hash）。把哈希想象成一段数据的独特指纹：如果你输入的任何一个字母稍有不同，指纹就会完全改变，从而证明信息被篡改了。这座城市中最受信任的印章之一叫做 SHA-256。它是一个复杂的数学谜题，能将任何信息转化为一段固定长度的数字字符串。虽然计算机擅长解决这些谜题，但它们可能会很慢且非常耗电，尤其是对于像智能传感器或运行在电池上的物联网（IoT）设备这样的小型设备。如果这些小设备为了锁定数据而浪费太多电力，它们的电池就会迅速耗尽，导致城市的安全网络陷入黑暗。

这就是 Gunjan Thakur 及其团队的故事。他们提出了一个简单的问题：我们能否制造一台微型、超高效的机器，在不消耗过多电池的情况下解决这些 SHA-256 谜题？他们不仅仅是编写了一个处理数学运算的计算机程序；他们还专门为现场可编程逻辑门阵列（FPGA）设计了一个定制的硬件加速器，FPGA 就像是电子领域的乐高板，可以根据任何工作需求进行重塑。他们的目标是创造一种设计，既足够快，能跟上城市的喧嚣，又足够节省能源，让设备能够长时间运行。

该团队的主要发现是在硬件内部组织数学运算的一种巧妙新方法。想象一下你是一位正在制作某种特定类型饼干的面包师，这种饼干需要 64 个步骤。通常情况下，你会做一步，等待，再做下一步，以此类推。研究人员决定使用一种叫做“2X 循环展开”（2X loop unrolling）的技术。在他们的设计中，机器不仅仅是一步一步地进行；它会同时抓取两个步骤并在一次心跳中同时完成。这就像是一个拥有两双手面的面包师，可以同时搅拌两份面团。为了确保这种速度不会浪费能量，他们还加入了“时钟门控”（clock gating）。把这想象成一个智能灯开关，它会自动关闭机器中当前没有工作的任何部分的电源，因此不会在闲置的齿轮上浪费任何能量。

当他们在名为 Nexys A7 的特定电路板上测试这个新设计时，结果非常喜人。该机器以 50 MHz 的速度运行，每秒能处理 147 万个哈希值（1.47 Mhps）。或许更重要的一点是，它在仅使用 0.11 瓦特功率的情况下完成了这一切。当你比较它所做的功与所消耗的能量时，该设计的能效达到了 13.37 Mhps/W。研究人员将他们的工作与其他设计进行了对比，发现虽然有些机器更快，但它们像跑车一样挥霍电力；而另一些设计虽然节俭却太慢。然而，他们的设计找到了一个平衡点，提供了一种平衡的权衡方案，使其适用于资源受限的边缘设备世界。

需要注意的是，这些结果是通过模拟以及在上述特定 FPGA 板上进行的测试获得的，而不是在充满不可预测变量的真实城市中运行设备。团队验证了他们的机器生成的数字指纹对于 100 个不同的测试消息都是正确的，并且完美匹配了预期结果。他们还展示了他们的设计使用了相对较少的板载资源，仅占可用逻辑块的约 3.92%。虽然他们并未声称这是有史以来最快或最强大的设计，但他们证明了这是一个针对低功耗环境的高效解决方案。通过将“一次处理两个”的处理方式与智能节能开关相结合，他们证明了在不牺牲电池寿命的情况下，保持边缘设备安全的安全性是完全可能的。