AES加密算法的高速低功耗ASIC設(shè)計

4 CMOS功耗

對于一個CMOS邏輯門，其功耗主要由靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗兩部分組成。靜態(tài)功耗是指門處于非活動狀態(tài)時的功耗，大部分是由擴(kuò)散層到襯底，源極到漏極存在的反偏二極管造成的泄露電流產(chǎn)生的。一般來說，泄漏電流功耗在總功耗中所占的比重不到1%。動態(tài)功耗是門處于活動狀態(tài)下產(chǎn)生的，它又包含兩部分：開關(guān)功耗和內(nèi)部功耗。內(nèi)部功耗包括對門內(nèi)部的寄生電容充放電的翻轉(zhuǎn)電流功耗，以及PMOS管和NMOS管瞬間同時導(dǎo)通所形成的短路電流功耗。對于信號上升(下降)快的電路，短路電流功耗很小，但對信號上升(下降)較慢的電路，短路電流功耗可能要占總功耗的30%以上。開關(guān)功耗是對輸出端負(fù)載電容充放電的翻轉(zhuǎn)電流引起的。

5 低功耗設(shè)計

該實現(xiàn)方案中主要采用了以下兩種低功耗設(shè)計方法。

1) 動態(tài)功耗管理

動態(tài)功耗管理是一種系統(tǒng)級低功耗設(shè)計方法，降低功耗的主要思路是根據(jù)芯片工作狀態(tài)改變功耗管理模式，從而在保證性能的基礎(chǔ)上降低功耗。在不同模式下，時鐘的頻率可以進(jìn)行調(diào)整，一些空閑模塊甚至整個芯片的時鐘也可能會被停止。還可以通過調(diào)整芯片的電壓，進(jìn)一步降低功耗。由于工作庫的限制，本文沒有對動態(tài)電壓管理作進(jìn)一步的研究。

本文采用動態(tài)功耗管理，分為normal和idle兩種功耗模式。有開始(START)信號時，芯片由idle模式進(jìn)入normal模式，開始對明文分組加密。經(jīng)過初始密鑰加法和10次輪變換，輸出密文分組，并產(chǎn)生結(jié)束(STOP)信號，使芯片返回idle模式。因此設(shè)計了一個鑒相器產(chǎn)生idle模式的控制信號(EN)。電路由與非門和基本RS觸發(fā)器組成(圖1)，對輸入信號(開始和結(jié)束)的上升沿感應(yīng)，由D觸發(fā)器輸出EN。具有結(jié)構(gòu)簡單的特點，并對噪聲的影響有很好的抑制作用，并能有效地去除毛刺。

2) 時鐘門控

EN有關(guān)閉和打開ASIC內(nèi)部模塊的作用，但這樣不是最佳的，因為EN只是關(guān)閉了內(nèi)部模塊的功能操作，而并沒有把模塊內(nèi)的時鐘網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉，也就是說時鐘網(wǎng)絡(luò)依然處于激活狀態(tài)，而時鐘網(wǎng)絡(luò)造成的功耗占總功耗的很大部分，只有關(guān)閉時鐘網(wǎng)絡(luò)才能同時達(dá)到關(guān)閉模塊功能和降低功耗的目的。

采用時鐘門控技術(shù)可以達(dá)到關(guān)閉時鐘網(wǎng)絡(luò)的目的。以圖2(a)中所示電路為例，仿真生成的波形如圖2(b)所示?？梢钥吹街挥性贓N信號為1和時鐘信號CLK上跳同時發(fā)生，ENCLK才會從0變?yōu)?，激活時鐘網(wǎng)絡(luò)。在其他時刻，時鐘網(wǎng)絡(luò)是關(guān)閉的。插入的時鐘門控單元不僅能通過關(guān)閉時鐘網(wǎng)絡(luò)而明顯的降低功耗外，還有其他幾個重要的功能：

① D觸發(fā)器的時鐘輸入端口對毛刺敏感，門控單元能有效地濾除信號EN的毛刺，從而確保進(jìn)入D觸發(fā)器時鐘端口的ENCLK信號不會出現(xiàn)毛刺，避免因競爭而導(dǎo)致觸發(fā)器發(fā)生錯誤的狀態(tài)變化。

② 鎖存器的插入增加了ENL信號的延時。

③ 對于n位寄存器組，n條反饋連線和n個多路選擇器被一個門控單元所取代，不僅帶來面

積上的節(jié)省，降低后端布線的擁塞，同時又進(jìn)一步降低了功耗。

6 實現(xiàn)方案

該實現(xiàn)方案采用Synopsys公司的芯片設(shè)計流程和VeriSilicon公司0.18μm CMOS工藝。首先根據(jù)設(shè)計規(guī)范，使用Verilog硬件描述語言編寫可綜合的RTL代碼，并對RTL代碼進(jìn)行仿真。然后對RTL代碼進(jìn)行綜合。綜合后生成的門級網(wǎng)表和RTL代碼進(jìn)行等效性檢驗并做靜態(tài)時序分析。接著進(jìn)行版圖設(shè)計，先是根據(jù)各邏輯單元間的時序采用時序驅(qū)動布局策略來做物理布局和全局布線，之后在設(shè)計中插入時鐘樹。然后進(jìn)行詳細(xì)布線，并從詳細(xì)布線后的版圖中提取出真實的時延值并將其反標(biāo)給網(wǎng)表，再作等效性檢驗、靜態(tài)時序分析和仿真驗證保證滿足時序約束。最后對版圖做設(shè)計規(guī)則檢查。

7 結(jié)論

本文針對AES的ASIC實現(xiàn)，使用改進(jìn)算法和低功耗設(shè)計方法，實現(xiàn)了高速低功耗的AES ASIC設(shè)計，其基本思想是：采用T盒算法，只要通過4次表查詢和4次異或運(yùn)算，就能快速地得到一次輪操作中一列的運(yùn)算結(jié)果，同時在滿足時序約束的前提下，通過動態(tài)功耗管理和時鐘門控等方法，根據(jù)芯片的工作狀態(tài)關(guān)閉模塊的功能操作并關(guān)閉時鐘網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到了降低功耗的目的。從表1可以清晰地看出，采用T盒算法后，設(shè)計的數(shù)據(jù)吞吐率提高了13.8%，同時采用功耗優(yōu)化方案后，normal模式下功耗下降了10.7%，在idle模式時更低。該實現(xiàn)方案適用于ECB，CBC等運(yùn)行模式。