42、绿色安全处理器：迈向高能效安全处理器设计

绿色安全处理器：迈向高能效安全处理器设计

1. 研究背景与贡献

随着处理器性能的不断提升，其功耗问题也日益凸显。从处理器发展历程来看，功率密度呈现显著增长趋势，如从早期的 4004 到后来的 Pentium 系列等，处理器的功率密度大幅提高。在安全处理器设计中，功耗问题同样不容忽视。

本研究主要有以下贡献：
- 分析各种安全处理器设计中的功耗来源。
- 对不同安全处理器架构的功耗进行分析，对比其相对于无保护基础系统的功耗增加情况，并为在不牺牲安全性的前提下实现性能与功耗最佳平衡的设计提供建议。
- 将研究拓展到嵌入式领域，发现通用领域中某些实现最佳功率 - 性能平衡的设计决策不一定适用于嵌入式领域。
- 探索一种新型混合加密引擎，该引擎结合多种加密机制，旨在在不影响性能和安全性的前提下最小化功耗开销。

2. 安全处理器中的功耗开销

安全处理器采用硬件机制进行内存加密和认证，以保护数据的隐私和完整性。这些机制会增加处理器的整体功耗，下面分别介绍相关机制及其功耗开销。

2.1 内存加密

内存加密机制用于在数据块进出处理器芯片时对其进行加密和解密，以保护数据隐私。目前，直接加密和计数器模式加密是安全处理器架构中最常用的加密形式。

2.1.1 直接加密

当缓存块从处理器芯片中逐出时，片上加密引擎会在将其存储到主内存之前对其进行加密；当该块从主内存重新加载时，加密引擎会在将其提供给处理器之前对其进行解密。基于其操作，直接加密会产生以下功耗开销：
- 静态功耗 ：直接加密实际上增加了从主内存获取