LM-PQC-K, FPGA ve SoC tasarımlarında anahtar oluşturmayı donanıma aktarmak için bir post-kuantum kriptografi bloğudur.

Motor, FIPS 203 olarak standartlaştırılan modül kafes tabanlı anahtar kapsülleme mekanizması ML-KEM'i üç parametre setinin tamamında, yani ML-KEM-512, ML-KEM-768 ve ML-KEM-1024'te gerçekler. Anahtar üretimi, kapsülleme ve kapsül açma; sayı teorik dönüşüm (NTT), örnekleme algoritmaları, bayt kodlama ve sıkıştırma ile standardın üzerine kurulduğu Keccak süngeri dahil tamamen donanımda yapılır.

Blok, üreticiden bağımsız SystemVerilog olarak teslim edilir ve AMD, Altera ve Efinix cihazlarında aynı kaynaktan derlenir. Dört AXI4-Stream veri portu ve bir AXI4-Lite register haritası sunar; açık ve gizli materyal iki yönde de hiçbir zaman aynı portu paylaşmaz. Hedef platforma hızlı entegrasyon için bir ANSI C sürücüsü sağlanır.

Ölçülmüş FPGA sonuçları

Ürün top'ı, bağlam dışı (out of context) ve hedef saatte kısıtlanmış olarak. AMD ve Efinix LUT, Altera ALM raporlar; ikisi hiçbir zaman birleştirilmez.

Cihaz	Konfigürasyon	Mantık	FF	Bellek	DSP	Fmax
Altera Agilex 3A3CW135BM16AE6S · quartus-pro 26.1.1	KEM_1024=1, KEM_512=1, KEM_768=1	7.656 ALM	7.086	174 Kb M20K	14	175,0 MHzhedef 175
AMD Kintex UltraScale+xcku3p-ffva676-1-e · vivado 2026.1	KEM_1024=1, KEM_512=1, KEM_768=1	11.208 LUT	4.302	12 BRAM	16	301,8 MHzhedef 300
Efinix Titanium Ti375Ti375N1156 · efinity 2026.1	KEM_1024=1, KEM_512=1, KEM_768=1	16.481 LUT	4.726	32 RAM	26	213,4 MHzhedef 175

Özellikler

Anahtar kapsülleme

Çalışma zamanında seçilebilen ML-KEM-512, ML-KEM-768, ML-KEM-1024
Anahtar üretimi, kapsülleme ve kapsül açma
Kapsül açmada, FIPS 203'ün istediği şekliyle örtük reddetme (implicit rejection)

Standartlar

Bölüm 7.2 ve 7.3'teki girdi denetimleri dahil FIPS 203'ün tamamı
Standardın kullandığı biçimiyle FIPS 202 Keccak süngeri, SHA3-256/512 ve SHAKE128/256

Güvenlik

Sabit zamanlı veri yolu. Çalışma süresi ve kontrol akışı gizli veriye bağlı değildir; blok yapısı gereği zamanlama analizine ve basit güç analizine dirençlidir
Açık ve gizli materyal iki yönde de ayrı portlarda; böylece gizli bir yol SoC'nin korumalı bir bölgesinden geçirilebilir ve bu pinlerde görülebilir
Hiçbir register adresinde anahtar materyali bulunmaz
Her reset bırakılışından sonra çalışma öncesi bilinen cevap öz testi; test geçene kadar veri çıkışı engellenir
Çalışma bellekleri ve iç tamponlar her işlemin sonunda sıfırlanır

Entegrasyon

AMBA AXI4-Lite kontrol ve dört AXI4-Stream veri arayüzü
İki teslim top'ı: eksiksiz AXI ürünü ya da kendi yapınız için yalın motor
Tek saat alanı, tek reset
ANSI C sürücüsü, UVM RAL, IP-XACT, SystemRDL register tanımı

Uygulamalar

Post-kuantum güvenlikli TLS ve IKEv2 anahtar oluşturma
Klasik ECDH ile birlikte hibrit anahtar değişimi
Güvenli açılış ve firmware güncellemesi için anahtar taşıma
Makineler arası ve IoT oturum kurulumu
"Şimdi topla, sonra çöz" (harvest-now-decrypt-later) saldırılarına açık, uzun ömürlü sistemler
Güven kökü (root of trust) ve HSM alt sistemleri

Blok diyagramı

Parametre setleri

Set	Güvenlik kategorisi	Kapsülleme anahtarı	Kapsül açma anahtarı	Şifreli metin	Paylaşılan sır
ML-KEM-512	1	800 B	1.632 B	768 B	32 B
ML-KEM-768	3	1.184 B	2.400 B	1.088 B	32 B
ML-KEM-1024	5	1.568 B	3.168 B	1.568 B	32 B

Üçü de her derlemede bulunur ve çalışma zamanında seçilir. Boyutları bir tablodan değil, donanımdan okuyarak sürücü raporlar; böylece host FIPS 203 için ikinci bir doğruluk kaynağı taşımak zorunda kalmaz.

Arayüzler

Veriyi dört AXI4-Stream portu, kontrolü bir AXI4-Lite arayüzü taşır. Port sayısı bir kolaylık değil, bir güvenlik özelliğidir: açık ve gizli materyal iki yönde de hiçbir zaman aynı teli paylaşmaz.

Arayüz	Tür	Genişlik	Taşıdığı
`s_axil`	AXI4-Lite slave	32 bit veri, 7 bit adres	konfigürasyon, komut, durum, sayaçlar, uzunluklar
`s_axis_pub`	AXI4-Stream sink	32 bit	kapsülleme anahtarı, şifreli metin, anahtar denetimi girdisi
`s_axis_sec`	AXI4-Stream sink	32 bit	tohumlar, kapsül açma anahtarı, anahtar çiftinin gizli yarısı
`m_axis_pub`	AXI4-Stream source	32 bit	kapsülleme anahtarı, şifreli metin
`m_axis_sec`	AXI4-Stream source	32 bit	kapsül açma anahtarı, paylaşılan sır
`irq`	seviye	1 bit	tamamlanma ve hata olayları

enable düşükken motor boşta bekler ve tüm çıkışlar engellenir.

Güvenlik özellikleri

Zamanlama ve basit güç analizi. Veri yolu gizli veriye göre sabit zamanlıdır: hiçbir dallanma, bellek adresi ya da döngü sınırı gizli bir değere bağlı değildir. Dolayısıyla blok yapısı gereği zamanlama analizine ve basit güç analizine dirençlidir; bu, ML-KEM'in kendi yapısının izin verdiği dirençtir.

Diferansiyel güç analizi kapsam dışıdır. Maskeleme, karıştırma (shuffling) ya da rastgeleleştirilmiş adresleme uygulanmamıştır. Çok sayıda iz toplayabilen bir saldırgana karşı korunması gereken bir uygulama, bu bloğun üzerinde ek önlemler gerektirir.

Örtük reddetme korunur. Şifreli metni denetimden geçmeyen bir kapsül açma işlemi, FIPS 203'ün tanımladığı gibi hata yerine reddetme tohumundan türetilmiş bir paylaşılan sır döndürür; böylece saldırgan bir şifreli metnin geçerli olup olmadığı hakkında hiçbir şey öğrenmez. Bunu bilerek hiçbir durum biti raporlamaz.

Rastgelelik entegratöre aittir. Blok bir rastgele bit üreteci içermez. FIPS 203 bölüm 3.3, tohumların parametre setinin güvenlik gücünde onaylı bir RBG'den gelmesini ister; sürücü bunu çağıranın sağladığı bir callback'ten alır. LM-DRBG böyle bir kaynaktır.

Çalışma öncesi öz test. Her reset bırakılışından sonra bir kez bilinen cevap testi çalışır ve test geçene kadar veri çıkışı engellenir. Bu, FIPS 140-3'ün bir kriptografik modüle yüklediği modül seviyesi yükümlülüktür; sertifikanın kendisi bir modülün tamamının bir laboratuvar tarafından akredite edilmesidir ve burada iddia edilmez.

Konfigürasyon

Parametre	Tür	Etkisi
parametre seti	çalışma zamanı (`cfg`)	ML-KEM-512, 768 ya da 1024
`KEM_512`, `KEM_768`, `KEM_1024`	elaboration	gerekmeyen bir seti derlemeden çıkarır
top seçimi	elaboration	eksiksiz AXI ürünü ya da yalın motor

Kaynaklar ve performans

Her hedef cihaz için kaynak kullanımı ve maksimum saat frekansı bağlam dışında (out of context) ölçülür ve bu sayfadaki ölçülmüş sonuçlarda hedef bazında yayımlanır. AMD ve Efinix satırları LUT, Altera satırları ALM raporlar; ikisi hiçbir zaman birleştirilmez. İşlem ve parametre seti başına çevrim sayıları da onlarla birlikte yayımlanır.

Teslimat içeriği

Öğe	İçerik
RTL	parametrik, üreticiden bağımsız SystemVerilog
Model	bit doğruluğunda C++ modeli
Register'lar	SystemRDL kaynağı ve üretilmiş altı dışa aktarım
Doğrulama	UVM RAL, formal property wrapper'ları, ACVP/KAT vektör sürücüleri
Yazılım	üretilmiş başlık dosyası ve JSON ile ANSI C referans sürücüsü
Paketleme	IP-XACT, IEEE 1685-2022
Gerçekleme	her FPGA üreticisi için çalıştırılabilir akış script'i, dosya listesi, SDC
Dokümantasyon	entegrasyon kılavuzu