Este documento descreve uma arquitetura de Hashing SHA-2 com alto throughput para sistemas híbridos reconfiguráveis. A arquitetura proposta utiliza técnicas de pipeline para reduzir a profundidade do circuito e aumentar o throughput em comparação com a arquitetura canônica. Os resultados demonstraram um ganho de throughput de 76% para a computação de múltiplos blocos na arquitetura proposta.

1. Roteiro
Hashing SHA-2
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput
¸˜
Avaliacao
¸˜
Consideracoes Finais
Uma arquitetura de Hashing SHA-2 com alto
´
throughput para sistema h´brido reconfiguravel
ı
Bruno Calegaro1 Andrea Charao1 Vitor Gomes1,2
˜ Haroldo de
Campos Velho2
1
´ ¸˜
LSC - Laboratorio de Sistemas de Computacao
UFSM - Universidade Federal de Santa Maria
2
´ ¸˜ ´
LAC - Laboratorio Associado de Computacao e Matematica Aplicada
INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
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2. Roteiro
Hashing SHA-2
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput
¸˜
Avaliacao
¸˜
Consideracoes Finais
1 Hashing SHA-2
2 Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput
3 ¸˜
Avaliacao
4 ¸˜
Considerac oes Finais
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3. Roteiro
Hashing SHA-2
Hashing SHA-2
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput
Algoritmo SHA-256
¸˜
Avaliacao
¸˜
Consideracoes Finais
Hashing SHA-2
¸˜
Introducao
Processa uma mensagem e gera uma mensagem condensada
(hash)
˜ ´ ˜
Algoritmo de mao unica (nao revers´vel)
ı
˜
Versoes: SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512
Usos: Integridade de dados, armazenamento de senhas e etc.
Alta afinidade com Hardware, principalmente pelo paralelismo de
¸˜ ´
operacoes logicas
˜ ˜
Opera em duas etapas: Expansao e Compressao
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4. Roteiro
Hashing SHA-2
Hashing SHA-2
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput
Algoritmo SHA-256
¸˜
Avaliacao
¸˜
Consideracoes Finais
˜
Expansao
Funcionamento
Recebe um bloco de 16 palavras de 32bits e expande para 64
palavras
˜
Figura: Etapa de Expansao
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5. Roteiro
Hashing SHA-2
Hashing SHA-2
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput
Algoritmo SHA-256
¸˜
Avaliacao
¸˜
Consideracoes Finais
˜
Compressao
Funcionamento
Recebe 64 palavras da etapa
˜
de expansao e gera 8
palavras
Profundidade do circuito
˜
Figura: Etapa de Compressao 5 / 20

6. Roteiro
Hashing SHA-2
Hashing SHA-2
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput
Algoritmo SHA-256
¸˜
Avaliacao
¸˜
Consideracoes Finais
˜
Compressao
Funcionamento
Recebe 64 palavras da etapa
˜
de expansao e gera 8
palavras
Profundidade do circuito
˜
Figura: Etapa de Compressao 6 / 20

7. Roteiro
Hashing SHA-2
Objetivo
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput
Arquitetura Proposta
¸˜
Avaliacao
¸˜
Consideracoes Finais
Objetivo
Objetivo
Desenvolver uma arquitetura de Hashing SHA-2 com alto throughput
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8. Roteiro
Hashing SHA-2
Objetivo
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput
Arquitetura Proposta
¸˜
Avaliacao
¸˜
Consideracoes Finais
Arquitetura Proposta
´
Utiliza tecnicas de pipeline para reduzir a profundidade do
¸˜
circuito de computacao do SHA-2
Opera sobre multiplos fluxos de entradas
´
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9. Roteiro
Hashing SHA-2
Objetivo
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput
Arquitetura Proposta
¸˜
Avaliacao
¸˜
Consideracoes Finais
Arquitetura Proposta
˜
Figura: Compressao Proposta
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10. Roteiro
Hashing SHA-2
Objetivo
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput
Arquitetura Proposta
¸˜
Avaliacao
¸˜
Consideracoes Finais
Arquitetura Proposta
˜
Figura: Expansao Proposta
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11. Roteiro ¸˜
Avaliacao
Hashing SHA-2 Ambiente de Testes
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput ¸˜
Implementacao
¸˜
Avaliacao Throughput
¸˜
Consideracoes Finais Resultados
¸˜
Avaliacao
¸˜
Implementacao das Arquiteturas
ˆ
Canonica
Proposta
´
Calculo dos throughputs
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12. Roteiro ¸˜
Avaliacao
Hashing SHA-2 Ambiente de Testes
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput ¸˜
Implementacao
¸˜
Avaliacao Throughput
¸˜
Consideracoes Finais Resultados
Cray XD1
Ambiente de Testes
´
Sistema H´brido Reconfiguravel
ı
6x blades
2 AMD Opteron 64bits
1 FPGA Xilinx Virtex II Pro
Figura: Cray XD1
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13. Roteiro ¸˜
Avaliacao
Hashing SHA-2 Ambiente de Testes
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput ¸˜
Implementacao
¸˜
Avaliacao Throughput
¸˜
Consideracoes Finais Resultados
Arquitetura do Cray XD1
Ambiente de Testes
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14. Roteiro ¸˜
Avaliacao
Hashing SHA-2 Ambiente de Testes
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput ¸˜
Implementacao
¸˜
Avaliacao Throughput
¸˜
Consideracoes Finais Resultados
¸˜
Implementacao
ˆ
Arquiteturas Canonica e Proposta:
Em VHDL
Utiliza Template da Cray para XD1
Sintetizadas usando Ise Foundation 10.1
ˆ ´ ¸˜
Obtidas as frequencias maximas de operacao
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15. Roteiro ¸˜
Avaliacao
Hashing SHA-2 Ambiente de Testes
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput ¸˜
Implementacao
¸˜
Avaliacao Throughput
¸˜
Consideracoes Finais Resultados
Throughput
¸˜
Avaliacao
Calculado Throughput usando a formula1 :
´
´
Freq. Max ∗ Tam. da entrada
Throughput = (1)
#ciclos
1
R. P. McEvoy, F. M. Crowe, C. C. Murphy, and W. P. Marnane. Optimisation of the SHA-2 family of Hash functions on
FPGAs. In ISVLSI ’06: Proceedings of the IEEE Computer Society Annual Symposium on Emerging VLSI Technologies and
Architectures, page 317, Washington, DC, USA, 2006. IEEE Computer Society.
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16. Roteiro ¸˜
Avaliacao
Hashing SHA-2 Ambiente de Testes
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput ¸˜
Implementacao
¸˜
Avaliacao Throughput
¸˜
Consideracoes Finais Resultados
Throughput - Resultados
¸˜
Avaliacao
Arquitetura Ciclos Freq.(MHz) Throughput (Mbps)
ˆ
Canonica 64 100,57 804,54
SHA-256 128 178,84 715,35
Tabela: Throughput para 1 bloco
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17. Roteiro ¸˜
Avaliacao
Hashing SHA-2 Ambiente de Testes
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput ¸˜
Implementacao
¸˜
Avaliacao Throughput
¸˜
Consideracoes Finais Resultados
Throughput - Resultados
¸˜
Avaliacao
Arquitetura Ciclos Freq.(MHz) Throughput (Mbps)
ˆ
Canonica 128 100,57 804,54
SHA-256 129 178,84 1419,61
Tabela: Throughput para 2 blocos
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18. Roteiro
Hashing SHA-2
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput ˜
Conclusao e trabalhos futuros
¸˜
Avaliacao
¸˜
Consideracoes Finais
˜
Conclusao e trabalhos futuros
´ ˜
O throughput da arquitetura proposta e 76% maior que a versao
ˆ ¸˜
canonica para a computacao de multiplos blocos, sendo 12%
´
pior para um bloco.
ˆ
O ganho em throughput deve-se ao aumento da frequencia
´ ¸˜
maxima dada pela reducao da profundidade implementada pela
´
tecnica de pipeline.
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19. Roteiro
Hashing SHA-2
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput ˜
Conclusao e trabalhos futuros
¸˜
Avaliacao
¸˜
Consideracoes Finais
˜
Conclusao e trabalhos futuros
¸˜
Pretende-se continuar a aperfeicoar esta operacao investigando
¸
´
arquiteturas com mais estagios de pipeline
O trabalho segue em aperfeicoamento, apresentando em
¸
¸˜
comparacao de hardware e software ganhos significativos
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20. Roteiro
Hashing SHA-2
Arquitetura Hashing SHA-2 com alto throughput
¸˜
Avaliacao
¸˜
Consideracoes Finais
Uma arquitetura de Hashing SHA-2 com alto
´
throughput para sistema h´brido reconfiguravel
ı
˜
Bruno Crestani Calegaro Andrea Charao Vitor Gomes
Haroldo de Campos Velho
calegaro@inf.ufsm.br, andrea@inf.ufsm.br, vconrado@inf.ufsm.br,
haroldo@lac.inpe.br
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