意法半導體通過 ST54M 押注於基於硬件的後量子密碼學

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能夠破解當前公鑰密碼學的實用量子計算機可能仍需數年時間，但意法半導體表示，設備製造商不能再等待。

這家芯片製造商推出了 ST54M，這是其十多年曆史的 ST54 安全元件系列中首個集成專用硬件後量子密碼學（PQC）的產品。該設備將近場通信（NFC）、安全元件、嵌入式用户身份模塊（eSIM）支持和 PQC 硬件加速器集成在一個芯片上。

在接受《EE Times》採訪時，意法半導體連接安全業務線總監 Laurent Degauque 表示，該公司的戰略更多是基於保護具有長期價值的數據的需求，而不是量子計算機的到來。

“全球行業，不僅是移動行業，還有我們所涉及的每個電子市場，都認識到量子計算機最終將成為一種威脅，” 他説。“每個人都希望提前做好準備。”

儘管能夠破解經典加密的實用量子計算機可能仍需五到七年時間，但 Degauque 表示，更大的擔憂是 “現在收集，未來解密” 的情景。

他繼續説道：“有人可以今天收集加密數據而無法讀取。然而，如果量子計算機在五或六年內能夠破解這種加密，而那些秘密在那時仍然有價值，那麼數據將會暴露。”

他説，這推動了 OEM 廠商現在集成 PQC 就緒硬件，以便設備能夠支持未來的密碼學部署，而無需重新設計硬件。

另一個因素是標準的成熟。“我們不再討論可能會變化的預標準版本；OEM 廠商現在可以基於已建立的標準部署解決方案，” 他説。

首款支持硬件 PQC 的 ST54

ST54 系列在 Android 生態系統中廣泛部署超過十年，將 NFC 和安全元件集成在一個芯片上。之前的幾代依賴於經典密碼學，仍在生產中。

“真正的突破是這是第一款支持 PQC 的 ST54，” Degauque 説。

與僅軟件實現不同，ST54M 使用集成在安全元件中的專用 K-Check 硬件加速器執行 ML-KEM 和 ML-DSA 操作。

該加速器支持基於模塊格的密鑰封裝機制（ML-KEM）和基於模塊格的數字簽名算法（ML-DSA），這兩種算法已根據 NIST 聯邦信息處理標準（FIPS）203 和 204 進行標準化。

根據 Degauque 的説法，這一選擇反映了現代安全交易的要求。

“大多數安全交易都需要密鑰交換和數字簽名，” 他説。“因此，這兩種 PQC 算法幾乎是每種類型的安全交易和應用所需的。”

Degauque 表示，專用硬件縮小了經典密碼學與後量子密碼學之間的性能差距，提供了更強的安全性而不影響用户體驗。

除了支持 PQC 外，新設備還提供更高的內存容量、改進的射頻（RF）性能和增強的安全性。

安全元件基於 Arm Cortex-M35P 處理器構建，並集成了用於對稱密碼學、公鑰密碼學和意法半導體 K-Check 後量子密碼學加速器的專用硬件引擎。在其官方數據簡報中，該公司表示，該設備還包括高達 4.5 MB 的安全非易失性存儲器和高達 800 kB 的 RAM，以支持日益複雜的安全應用。安全元件旨在滿足通用標準 EAL6+ 和 EMVCo 安全要求，同時支持支付、身份和 eSIM 應用於單個芯片上。

最新的 ST54M 集成了一個片上 DC-DC 轉換器，以前需要外部組件，從而簡化了智能手機的集成，同時提高了效率並降低了系統成本。該公司還改善了與不同 NFC 讀卡器和天線設計的互操作性、讀取距離和整體用户體驗。

“它們還允許 OEM 廠商採用新一代天線，包括更小的天線和框架天線，同時保持相同的 RF 性能，” 他説。

PQC 的到來並不意味着經典密碼學會在一夜之間消失。相反，意法半導體預計這兩種方法將在未來幾年共存。

“該芯片繼續支持來自前幾代的所有傳統密碼算法，同時支持 PQC，” Degauque 説。“我們沒有替換經典密碼學。我們支持兩者，因此該芯片完全支持混合密碼學。”

該公司表示，該設備是根據客户需求開發的。

“這款新 ST54 滿足了我們從 OEM 廠商收到的請求，” Degauque 説。“其中幾家希望儘快將 PQC 保護集成到他們的設備中，以保護他們自己的平台或為未來將受益於 PQC 的服務做好準備。”

一個例子是 GSM 協會（GSMA）正在進行的關於 PQC 支持的 eSIM 標準的工作。

“如果 OEM 今天採用支持 PQC 的 ST54，當 GSMA 最終確定未來嵌入式 SIM 的 PQC 標準時，它將能夠利用該芯片中的硬件加速，” Degauque 説。

Degauque 還提到美國、歐洲和其他地區的政府倡議，鼓勵遷移到標準化 PQC，作為加速採用的另一個因素。

圍繞 PQC 開銷的工程

支持 PQC 需要比經典密碼學更大的密鑰和更多的計算，增加了對處理、內存和功耗的需求。Degauque 表示，挑戰在於在不影響智能手機電池壽命或將製造成本推高到 OEM 廠商無法接受的水平的情況下集成 PQC。

“我們在性能和功耗之間尋求良好的平衡，同時儘量將額外的內存佔用，主要是在隨機存取內存中，保持在最小。”

Degauque 承認 PQC 增加了硅的複雜性和成本，但表示這種權衡是合理的。

“PQC 不是一種沒有成本的特性，” 他補充道。“這是一種額外的能力，需要額外的實施努力。我們相信對功耗的影響在可控範圍內，額外的成本與其給 OEM 和最終用户帶來的好處相比非常有限。”

抵禦物理攻擊

對於意法半導體而言，實施 PQC 算法僅是挑戰的一部分。硬件還必須抵禦側信道和故障注入攻擊，這些攻擊試圖在計算過程中恢復秘密數據。

“PQC 為加密數據提供了對量子計算機的強大數學保護，” 他説。“然而，僅僅實施算法是不夠的。”

Degauque 表示，如果實施本身沒有得到保護，攻擊者可以利用功耗、電磁輻射或誘導故障來推斷密碼密鑰。

“我們並不是簡單地按照標準實施 PQC 算法，” 他説。“我們實施了高度安全的版本，能夠抵禦外部攻擊，並獲得獨立實驗室的認證。我們的目標是提供一個安全的黑箱，無法被觀察或破壞。”

該實施基於意法半導體的安全微控制器產品組合，已經能夠抵禦簡單功率分析（FPA）、差分功率分析（DPA）、電磁攻擊和激光攻擊。

為更廣泛的部署做準備

雖然智能手機是首個目標，但意法半導體認為 PQC 將在多個產品類別中成為一種要求。該公司已經向許多 Android 手機制造商供應 ST54 系列，使得遷移到 ST54M 成為一種自然的升級。

隨着智能手機越來越多地成為數字憑證的存儲庫，OEM 正在為兩個平行的過渡做準備：保護已經存儲在設備上的敏感信息，並確保未來與數字身份程序等外部服務的兼容性。

“我預計 PQC 會首先出現在高端智能手機中，然後逐步擴展到整個產品系列，” 他説。

然而，對於 Degauque 而言，安全性最終應該與智能手機的價格無關。

“無論價格如何，客户仍然希望他們的憑證以相同的方式受到保護，” 他説。

因此，他表示預計後量子保護將成為未來智能手機的標準能力，而不是一種高端特性。

在移動設備之外，意法半導體已經為其 ST33 可信任平台模塊（TPM）系列推出了基於軟件的 PQC 支持，目標是 PC 和數據中心。

Degauque 表示，他預計汽車將是另一個早期採用者。“車輛通常在服務中保持五年、十年甚至十五年。量子計算機可能在許多這些車輛達到使用壽命之前就會問世。”

這家芯片製造商現在正在為汽車和其他嵌入式應用準備支持 PQC 的其他安全微控制器系列。

根據 Degauque 的説法，長期目標是將 PQC 擴展到意法半導體大多數安全產品組合中，只有在成本或應用要求使其不切實際的情況下才會例外。

“如果我們展望 10 到 15 年後，我預計 PQC 將包含在我們絕大多數的安全微控制器產品組合中，” 他説。

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