意法半导体通过 ST54M 押注于基于硬件的后量子密码学

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能够破解当前公钥密码学的实用量子计算机可能仍需数年时间，但意法半导体表示，设备制造商不能再等待。

这家芯片制造商推出了 ST54M，这是其十多年历史的 ST54 安全元件系列中首个集成专用硬件后量子密码学（PQC）的产品。该设备将近场通信（NFC）、安全元件、嵌入式用户身份模块（eSIM）支持和 PQC 硬件加速器集成在一个芯片上。

在接受《EE Times》采访时，意法半导体连接安全业务线总监 Laurent Degauque 表示，该公司的战略更多是基于保护具有长期价值的数据的需求，而不是量子计算机的到来。

“全球行业，不仅是移动行业，还有我们所涉及的每个电子市场，都认识到量子计算机最终将成为一种威胁，” 他说。“每个人都希望提前做好准备。”

尽管能够破解经典加密的实用量子计算机可能仍需五到七年时间，但 Degauque 表示，更大的担忧是 “现在收集，未来解密” 的情景。

他继续说道：“有人可以今天收集加密数据而无法读取。然而，如果量子计算机在五或六年内能够破解这种加密，而那些秘密在那时仍然有价值，那么数据将会暴露。”

他说，这推动了 OEM 厂商现在集成 PQC 就绪硬件，以便设备能够支持未来的密码学部署，而无需重新设计硬件。

另一个因素是标准的成熟。“我们不再讨论可能会变化的预标准版本；OEM 厂商现在可以基于已建立的标准部署解决方案，” 他说。

首款支持硬件 PQC 的 ST54

ST54 系列在 Android 生态系统中广泛部署超过十年，将 NFC 和安全元件集成在一个芯片上。之前的几代依赖于经典密码学，仍在生产中。

“真正的突破是这是第一款支持 PQC 的 ST54，” Degauque 说。

与仅软件实现不同，ST54M 使用集成在安全元件中的专用 K-Check 硬件加速器执行 ML-KEM 和 ML-DSA 操作。

该加速器支持基于模块格的密钥封装机制（ML-KEM）和基于模块格的数字签名算法（ML-DSA），这两种算法已根据 NIST 联邦信息处理标准（FIPS）203 和 204 进行标准化。

根据 Degauque 的说法，这一选择反映了现代安全交易的要求。

“大多数安全交易都需要密钥交换和数字签名，” 他说。“因此，这两种 PQC 算法几乎是每种类型的安全交易和应用所需的。”

Degauque 表示，专用硬件缩小了经典密码学与后量子密码学之间的性能差距，提供了更强的安全性而不影响用户体验。

除了支持 PQC 外，新设备还提供更高的内存容量、改进的射频（RF）性能和增强的安全性。

安全元件基于 Arm Cortex-M35P 处理器构建，并集成了用于对称密码学、公钥密码学和意法半导体 K-Check 后量子密码学加速器的专用硬件引擎。在其官方数据简报中，该公司表示，该设备还包括高达 4.5 MB 的安全非易失性存储器和高达 800 kB 的 RAM，以支持日益复杂的安全应用。安全元件旨在满足通用标准 EAL6+ 和 EMVCo 安全要求，同时支持支付、身份和 eSIM 应用于单个芯片上。

最新的 ST54M 集成了一个片上 DC-DC 转换器，以前需要外部组件，从而简化了智能手机的集成，同时提高了效率并降低了系统成本。该公司还改善了与不同 NFC 读卡器和天线设计的互操作性、读取距离和整体用户体验。

“它们还允许 OEM 厂商采用新一代天线，包括更小的天线和框架天线，同时保持相同的 RF 性能，” 他说。

PQC 的到来并不意味着经典密码学会在一夜之间消失。相反，意法半导体预计这两种方法将在未来几年共存。

“该芯片继续支持来自前几代的所有传统密码算法，同时支持 PQC，” Degauque 说。“我们没有替换经典密码学。我们支持两者，因此该芯片完全支持混合密码学。”

该公司表示，该设备是根据客户需求开发的。

“这款新 ST54 满足了我们从 OEM 厂商收到的请求，” Degauque 说。“其中几家希望尽快将 PQC 保护集成到他们的设备中，以保护他们自己的平台或为未来将受益于 PQC 的服务做好准备。”

一个例子是 GSM 协会（GSMA）正在进行的关于 PQC 支持的 eSIM 标准的工作。

“如果 OEM 今天采用支持 PQC 的 ST54，当 GSMA 最终确定未来嵌入式 SIM 的 PQC 标准时，它将能够利用该芯片中的硬件加速，” Degauque 说。

Degauque 还提到美国、欧洲和其他地区的政府倡议，鼓励迁移到标准化 PQC，作为加速采用的另一个因素。

围绕 PQC 开销的工程

支持 PQC 需要比经典密码学更大的密钥和更多的计算，增加了对处理、内存和功耗的需求。Degauque 表示，挑战在于在不影响智能手机电池寿命或将制造成本推高到 OEM 厂商无法接受的水平的情况下集成 PQC。

“我们在性能和功耗之间寻求良好的平衡，同时尽量将额外的内存占用，主要是在随机存取内存中，保持在最小。”

Degauque 承认 PQC 增加了硅的复杂性和成本，但表示这种权衡是合理的。

“PQC 不是一种没有成本的特性，” 他补充道。“这是一种额外的能力，需要额外的实施努力。我们相信对功耗的影响在可控范围内，额外的成本与其给 OEM 和最终用户带来的好处相比非常有限。”

抵御物理攻击

对于意法半导体而言，实施 PQC 算法仅是挑战的一部分。硬件还必须抵御侧信道和故障注入攻击，这些攻击试图在计算过程中恢复秘密数据。

“PQC 为加密数据提供了对量子计算机的强大数学保护，” 他说。“然而，仅仅实施算法是不够的。”

Degauque 表示，如果实施本身没有得到保护，攻击者可以利用功耗、电磁辐射或诱导故障来推断密码密钥。

“我们并不是简单地按照标准实施 PQC 算法，” 他说。“我们实施了高度安全的版本，能够抵御外部攻击，并获得独立实验室的认证。我们的目标是提供一个安全的黑箱，无法被观察或破坏。”

该实施基于意法半导体的安全微控制器产品组合，已经能够抵御简单功率分析（FPA）、差分功率分析（DPA）、电磁攻击和激光攻击。

为更广泛的部署做准备

虽然智能手机是首个目标，但意法半导体认为 PQC 将在多个产品类别中成为一种要求。该公司已经向许多 Android 手机制造商供应 ST54 系列，使得迁移到 ST54M 成为一种自然的升级。

随着智能手机越来越多地成为数字凭证的存储库，OEM 正在为两个平行的过渡做准备：保护已经存储在设备上的敏感信息，并确保未来与数字身份程序等外部服务的兼容性。

“我预计 PQC 会首先出现在高端智能手机中，然后逐步扩展到整个产品系列，” 他说。

然而，对于 Degauque 而言，安全性最终应该与智能手机的价格无关。

“无论价格如何，客户仍然希望他们的凭证以相同的方式受到保护，” 他说。

因此，他表示预计后量子保护将成为未来智能手机的标准能力，而不是一种高端特性。

在移动设备之外，意法半导体已经为其 ST33 可信任平台模块（TPM）系列推出了基于软件的 PQC 支持，目标是 PC 和数据中心。

Degauque 表示，他预计汽车将是另一个早期采用者。“车辆通常在服务中保持五年、十年甚至十五年。量子计算机可能在许多这些车辆达到使用寿命之前就会问世。”

这家芯片制造商现在正在为汽车和其他嵌入式应用准备支持 PQC 的其他安全微控制器系列。

根据 Degauque 的说法，长期目标是将 PQC 扩展到意法半导体大多数安全产品组合中，只有在成本或应用要求使其不切实际的情况下才会例外。

“如果我们展望 10 到 15 年后，我预计 PQC 将包含在我们绝大多数的安全微控制器产品组合中，” 他说。

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