Los avances en la computación cuántica suponen una amenaza para los sistemas criptográficos clásicos en los que se basa la seguridad informática actual. Para mitigar esta posible vulnerabilidad, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha liderado un proceso para normalizar nuevos esquemas de criptografía poscuántica (PQC). Este proceso ha implicado varias rondas de evaluación y eliminación continua, que han culminado en la normalización de ML-KEM como algoritmo de encapsulación de claves, y de ML-DSA y SLH-DSA como algoritmos de firma digital. La integración de estos algoritmos en sistemas embebidos con recursos limitados supone un reto debido al tamaño de las claves utilizadas en estas normas y a la potencia computacional requerida.
En este contexto, la elección de la arquitectura informática desempeña un papel clave. Las arquitecturas de código abierto están cobrando especial relevancia debido a la versatilidad y adaptabilidad que ofrecen. Son especialmente destacables los avances en las arquitecturas RISC-V, que cuentan con un fuerte respaldo liderado por la Fundación Internacional RISC-V. Esta arquitectura presenta un diseño abierto y modular, lo que le permite adaptarse a todo tipo de aplicaciones.  Este trabajo presenta una extensión del conjunto de instrucciones RISC-V para acelerar el algoritmo criptográfico poscuántico ML-DSA. Tras evaluar varios núcleos de código abierto, se seleccionó el NEORV32 por su modularidad y su Unidad de Funciones Personalizadas (CFU). Una vez garantizada la generación de claves con el TRNG del núcleo, se integró un acelerador Keccak específico en la CFU mediante cinco instrucciones personalizadas de tipo R, orientadas a las operaciones SHAKE. La implementación en una FPGA Artix-7 logró una aceleración local de 60 veces para SHAKE. Sin embargo, la aceleración global del sistema de 1,03 veces pone de relieve la necesidad de realizar optimizaciones en las transferencias de datos, tal y como dicta la Ley de Amdahl.

Advances in quantum computing pose a threat to the classical cryptographic systems on which current IT security is based. To mitigate this potential vulnerability, the National Institute of Standards and Technology (NIST) has led a process to standardise new Post-Quantum Cryptography (PQC) schemes. This process involved several rounds of evaluation and continuous elimination, culminating in the standardisation of ML-KEM as a key encapsulation algorithm, and ML-DSA and SLH-DSA as digital signature algorithms. Integrating these algorithms into embedded systems with limited resources poses a challenge due to the size of the keys used in these standards and the computational power required.
In this context, the choice of computing architecture plays a key role. Open-source architectures are gaining particular prominence due to the versatility and adaptability they offer. Developments in RISC-V architectures are particularly noteworthy, with strong support led by the RISC-V International Foundation. This architecture features an open and modular design, enabling it to adapt to all types of applications.
This work presents a RISC-V instruction set extension to accelerate the ML-DSA post-quantum cryptographic algorithm. Following an evaluation of open-source cores, the NEORV32 was selected for its modularity and Custom Functions Unit (CFU). After securing key generation with the core’s TRNG, a dedicated Keccak accelerator was integrated into the CFU via five custom R-type instructions to target SHAKE operations. Implementation on an Artix-7 FPGA achieved a 60x local speedup for SHAKE. However, the 1.03x overall system acceleration underscores the need for further optimizations as dictated by Amdahl’s Law.

• Presidente: Antonio Núñez Ordóñez
• Secretario: Fernando de la Puente Arrate
• Vocal: Francisco Javier del Pino Suárez

Arquimea (Formación Dual)