Implémentations matérielles crypto-agiles des standards PQC NIST : ML-KEM et HQC

L’avènement des ordinateurs quantiques représente une menace critique pour la cryptographie à clé publique classique, motivant le développement de la cryptographie post-quantique (PQC). Pour soutenir la transition vers des primitives cryptographiques résistantes aux attaques quantiques, le National Institute of Standards and Technology (NIST) a identifié ML-KEM et HQC comme futurs standards pour l’encapsulation et la décapsulation de clés. L’immaturité relative de ces schémas encourage le développement d’implémentations crypto-agiles permettant une migration transparente entre eux. Dans les systèmes embarqués à ressources limitées, tels que les dispositifs IoT ou les cartes à puce, le coût en calcul de des algorithmes PQC nécessite des optimisations logicielles et matérielles adaptées. Dans le contexte de la crypto-agilité matérielle, le défi principal est de concevoir des stratégies de partage des ressources capables de supporter efficacement des schémas cryptographiques basés sur des fondements mathématiques distincts, tels que ML-KEM (basé sur les réseaux) et HQC (basé sur les codes). Cette thèse explore les opportunités d’agilité entre ML-KEM et HQC, en se concentrant sur le développement d’une stratégie efficace de partage pour la multiplication polynomiale. Pour ce faire, nous proposons d’abord la Frobenius Additive FFT (FAFFT) pour HQC, une alternative à la méthode de Karatsuba, identifiée comme le principal goulot ’étranglement. La FAFFT permet une compatibilité structurelle avec la Number Theoretic Transform (NTT) utilisée dans ML-KEM, facilitant ainsi l’agilité matérielle entre les deux schémas. Nous présentons ensuite la première implémentation matérielle de pointe de la FAFFT, appelée ANDROMEDA, et proposons une approche unifiée de partage des ressources matérielles entre les éléments butterfly de la FAFFT et de la NTT, via la nouvelle architecture super-butterfly. Enfin, nous introduisons l’accélérateur PHOENIX, une démonstration concrète de crypto-agilité matérielle qui exploite l’architecture super-butterfly pour accélérer efficacement les multiplications polynomiales dans ML-KEM et HQC, améliorant significativement leurs performances.