密碼事關(guān)政治、經(jīng)濟(jì)、國(guó)防和信息安全，是保護(hù)黨和國(guó)家根本利益的國(guó)之重器。近年來(lái)，量子計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)的公鑰密碼算法及協(xié)議體系的安全性造成了顛覆性的影響，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)兼容、具備抵抗量子計(jì)算攻擊能力的抗量子密碼應(yīng)運(yùn)而生。2016年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）率先啟動(dòng)了抗量子密碼算法競(jìng)賽，經(jīng)過(guò)三輪評(píng)選，NIST選定了4種抗量子公鑰密碼算法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并在持續(xù)征集新的密碼算法。2018年，中國(guó)密碼學(xué)會(huì)啟動(dòng)了全國(guó)密碼算法設(shè)計(jì)競(jìng)賽，并于2020年1月公布了獲勝的抗量子密碼算法； 2025年，我國(guó)商用密碼標(biāo)準(zhǔn)研究院發(fā)起了新一代商用密碼算法征集活動(dòng)，來(lái)推動(dòng)我國(guó)抗量子密碼算法的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。歐盟、英國(guó)、澳大利亞、日本等國(guó)家和地區(qū)也在積極推動(dòng)抗量子密碼算法的標(biāo)準(zhǔn)化工作。隨著抗量子密碼算法標(biāo)準(zhǔn)的陸續(xù)發(fā)布，世界各主要國(guó)家也已經(jīng)啟動(dòng)了抗量子密碼算法的遷移工作，為應(yīng)對(duì)量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)的巨大安全威脅做準(zhǔn)備。

　　2006年起，著者團(tuán)隊(duì)開始研究動(dòng)態(tài)可重構(gòu)計(jì)算芯片。2009年，我們嘗試基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)開展密碼處理器設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)6~7年的努力，研制出能夠兼顧能量效率、功能靈活性和物理安全性的密碼處理器芯片，這是其他傳統(tǒng)技術(shù)方案難以實(shí)現(xiàn)的。2017年，我們對(duì)這項(xiàng)研究工作進(jìn)行了總結(jié)，撰寫了《可重構(gòu)計(jì)算密碼處理器》一書，并得以出版，隨后，該書的英文版Reconfigurable Cryptographic Processor在施普林格出版社出版。2019年，我們對(duì)這項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，創(chuàng)立了無(wú)錫沐創(chuàng)集成電路設(shè)計(jì)有限公司，依托該公司，我們實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，目前，無(wú)錫沐創(chuàng)集成電路設(shè)計(jì)有限公司已經(jīng)發(fā)展成為我國(guó)密碼芯片領(lǐng)域重要的民營(yíng)企業(yè)之一。2016年，我們注意到抗量子密碼算法的發(fā)展，由于抗量子密碼算法正在持續(xù)演進(jìn)，且算法的復(fù)雜度要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的公鑰密碼算法，抗量子密碼芯片想要兼顧能量效率、功能靈活性（特別是對(duì)持續(xù)推出的新算法的有效支持）和物理安全性將更加困難，但考慮到量子計(jì)算機(jī)對(duì)信息安全帶來(lái)的潛在威脅，我們果斷將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)抗量子密碼芯片的研究，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等國(guó)家計(jì)劃的持續(xù)支持下，經(jīng)過(guò)近十年的努力，我們先后攻克了功能靈活的高能效抗量子密碼芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)、敏捷公鑰密碼計(jì)算通路設(shè)計(jì)、自適應(yīng)物理安全防護(hù)機(jī)制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并聯(lián)合無(wú)錫沐創(chuàng)集成電路設(shè)計(jì)有限公司研發(fā)了兩款商用的抗量子密碼芯片，在此過(guò)程中，我們陸續(xù)將研究工作發(fā)表在ISSCC、CHES、HOST等會(huì)議上，其中，發(fā)表在ISSCC 2022的論文介紹了團(tuán)隊(duì)研發(fā)的全球首款支持多個(gè)數(shù)學(xué)難題的抗量子密碼芯片，發(fā)表在ISSCC 2024的論文介紹了團(tuán)隊(duì)研發(fā)的全球首款能夠支持國(guó)內(nèi)外主流抗量子密碼方案的芯片，我們的研究工作也獲得了國(guó)內(nèi)外同行的認(rèn)可，張能博士于2023年獲評(píng)中國(guó)密碼學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)（該學(xué)會(huì)首篇芯片方向優(yōu)博），朱益宏博士于2024年獲評(píng)IEEE固態(tài)電路學(xué)會(huì)博士生成就獎(jiǎng)（全球每年評(píng)20余人），并有多位團(tuán)隊(duì)成員受邀擔(dān)任CHES和ISSCC的TPC委員。

　　本書共分為7章。第1章首先介紹抗量子密碼算法的概念、標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展及抗量子密碼遷移的緊迫性，接下來(lái)進(jìn)一步總結(jié)標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中抗量子密碼芯片現(xiàn)狀并討論抗量子密碼芯片所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。第2章對(duì)主流的抗量子密碼算法的數(shù)學(xué)原理進(jìn)行分析，并重點(diǎn)討論核心計(jì)算模塊的高效計(jì)算方法。第3章對(duì)當(dāng)前領(lǐng)域定制抗量子密碼芯片研究進(jìn)行介紹，并在此基礎(chǔ)上闡述粗粒度可重構(gòu)抗量子密碼芯片架構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。第4章從抗量子密碼核心計(jì)算功能出發(fā)，介紹具體的電路級(jí)可重構(gòu)設(shè)計(jì)方法。第5章從軟件映射的角度解釋如何在單一硬件架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)對(duì)多種抗量子密碼算法的高效映射與優(yōu)化。第6章從物理安全設(shè)計(jì)的角度分析目前抗量子密碼芯片所面臨的一系列側(cè)信道攻擊威脅，以及相應(yīng)的防護(hù)方法。第7章對(duì)具有抗量子攻擊屬性的密碼算法發(fā)展趨勢(shì)和芯片技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

　　本書凝聚了清華大學(xué)硬件安全與密碼芯片實(shí)驗(yàn)室近十年的科研成果，并總結(jié)了國(guó)內(nèi)外最新的研究進(jìn)展，力爭(zhēng)向讀者完整地介紹抗量子密碼芯片的技術(shù)體系和發(fā)展趨勢(shì)。感謝朱文平、朱益宏、楊博翰、趙燦坤、陳相任、盧思佳、王漢寧、趙琪、劉江雪、孫駿文、趙航、龔新勝、張燃、彭碩航、歐陽(yáng)屹、楊明遠(yuǎn)、張佳男、張能、李重陽(yáng)、戴彤蔚等同事和同學(xué)的持續(xù)努力。感謝魏少軍教授對(duì)本書撰寫工作的指導(dǎo)。最后，還要感謝我的愛人和孩子們對(duì)我工作的理解和寬容，你們的愛是我前進(jìn)的重要?jiǎng)恿Γ?/p>

　　本書得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（No.2023YFB4403500）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 62274102）的支持！

劉雷波
2025年3月于清華園