Дослідження характеристик логічного елемента "Провідне І" як пришвидшувача операцій додавання у процесорах шифрування даних
Анотація
Проаналізовано характеристики апаратної та часової складностей базових, двоходових, логічних елементів, що є основою для проектування складних цифрових пристроїв, компонентів обчислювальних засобів, спецпроцесорів аналого-цифрового та цифрового опрацювання сигналів. Встановлено, що найскладнішою мікроелектронною реалізацією характеризується логічний елемент "Виключне АБО", що відповідно зумовлює високу часову затримку виконання арифметико-логічних операцій. Запропоновано спрощення структури та мікроелектронної реалізації логічного елемента "Виключне АБО". Реалізовано логічний елемент "Провідне І" на трьох логічних елементах І-НЕ та АБО, що виконує функцію логічного елемента "Виключне АБО". Це забезпечує зменшення апаратної складності у 2-3 рази. Використання емітерно-зв'язаної логіки (ЕЗЛ) (англ. Emitter Coupled Logic, ECL) передбачає наявність транзисторів на виходах логічних елементів та дає змогу об'єднувати їх виходи без втрати функцій. Це сприяє підвищенню швидкодії спрацювання за 1 мікротакт, тобто у 3 рази, порівняно з класичною реалізацією логічного елемента "Виключне АБО". Використання логічного елемента "Провідне І", як компоненти однорозрядних суматорів, дасть змогу підвищити їх продуктивність. Запропоновано вдосконалення однорозрядних неповних та повних двійкових суматорів, на підставі оптимізованого логічного елемента "Провідне І". Подано розрахунки та побудовано графіки оцінок часової та апаратної складностей запропонованих схемотехнічних рішень суматорів. Наведені діаграми ілюструють підвищення швидкодії та спрощення структури поданих базових компонентів процесорів порівняно з відомими. Визначено широку сферу застосування розроблених пришвидшувачів: у системах захисту інформації, багаторозрядних комбінаційних та пірамідальних суматорах з пришвидшеними переносами, пристроїв сортування двійкових чисел, визначення Хемінгової віддалі між сигналами та багато інших. У задачах шифрування даних швидкодія спецпроцесора принципово залежить від швидкодії його компонентів, а заміна операцій множення багаторозрядних чисел операціями додавання, з використанням теоретико-числового базису (ТЧБ) Радемахера-Крестенсона, на етапах генерації ключів, шифрування та дешифрування дає змогу значно зменшити часову складність залежно від розрядності параметрів алгоритмів шифрування.
Посилання
Davletova, A. Ya. (2019). Research of system characteristics of accelerators of arithmetic and logic operations. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference "Information Technology and Computer Modeling", 214–217. Retrieved from: https://www.itcm.comp-sc.if.ua/2019/zbirnyk2019.pdf
Drozd, O. V., & Kharchenko, V. S. (2012). Working diagnostics of secure information and measurement systems. National Aerospace University. H. E. Zhukovsky "KhAI", 614.
Gryga, V., Nykolaychuk, Y., Nyckolaychuk, L., Vozna, N., & Klym, H. (2019). Structuring of Algorithms for Data Sorting and New Principles of Their Parallelization. 9th International Conference on Advanced Computer Information Technologies (ACIT), 205–208. https://doi.org/10.1109/ACITT.2019.8779864
Grytsyuk, M. Yu., & Hrytsiuk, Yu. I. (2018). Nature and Sustainable Development of Tourism in the Carpathian Region Ukraine. Scientific Bulletin of UNFU, 28(2), 99–110. https://doi.org/10.15421/40280219
Havrysh, V. I., & Hrytsiuk, Yu. I. (2021). Analysis of temperature regimes in heat-sensitive layered elements of digital devices caused by internal heating. Scientific Bulletin of UNFU, 31(5), 108–112. https://doi.org/10.36930/40310518
Hrytsiuk, Yu., Grytsyuk, P., Dyak, T., & Hrynyk, H. (2019). Software Development Risk Modeling. IEEE 2019 14th International Scientific and Technical Conference on Computer Sciences and Information Technologies (CSIT 2019), (Vol. 2, pp. 134–137), 17–20 September, Lviv, Ukraine. Lviv: Lviv Polytechnic National University, 206 p. https://doi.org/10.1109/stc-csit.2019.8929778
Ivasiev, S., Kasyanchuk, M., Yakymenko, I., Gomotiuk, O., Shylinska, I., & Bilovus, L. (2020). Algorithmic Support for Rabin Cryptosystem Implementation Based on Addition. 10th International Conference on Advanced Computer Information Technologies (ACIT). 779–782. https://doi.org/10.1109/ACITT.2019.8779899
Krulikovskyi, B., Vozna, N., Kimak, V., & Davletova, A. (2016). The Method to Optimize Structural, Hardware and Time Complexities Characteristics Multi-Bit Adders of Special Processors for Data Encryption. Modern Problem of Radio Engineeriong, Telecommunikations and Computer Science: proceedings of the XIII th International Conference TSET'2016, February 23–26, 2016, 455–459. https://doi.org/10.1109/TCSET.2016.7452087
Krulikovskyi, B., Vozna, N., Kimak, V., & Davletova, A. (2016). The Method to Optimize Structural, Hardware and Time Complexities Characteristics Multi-Bit Adders of Special Processors for Data Encryption. Modern Problem of Radio Engineeriong, Telecommunikations and Computer Science: proceedings of the XIII th International Conference TSET'2016, 455–459. https://doi.org/10.1109/TCSET.2016.7452087
Krulikovskyi, B. B., Davletova, A. Ya., & Ivasiev, S. V. (2016). Method and special processors for determining the functions of the Hamming space in decision-making problems. Proceedings of the VIII International School-Seminar "Decision Theory", 152–153.
Krulikovskyi, B. B., Davletova, A. Ya., & Kimak, V. L. (2014). System characteristics of components of multi-bit data encryption processors. Information problems of computer systems, law, energy, economics, modeling and management. ISCM2014, 105–107.
Leshkevych, I. F., & Grytsiuk, Yu. I. (2017). The Problems of Definition and Analysis of Software Requirements. Scientific Bulletin of UNFU, 27(4), 148–158. https://doi.org/10.15421/40270433
Malinovsky, B. N., Boyun, V. P., & Kozlov, L. G. (1989). Introduction to cybernetics. Parallel structures and methods. Scientific thought, 272.
Nykolaichuk, Ya. (2017). Specialized computer technology in computer science. Monograph. Ternopil: "Beskydy", 919.
Nykolaichuk, Ya. M., Gryga, V. M., Vozna, N. Ya., & Davletova, A. Ya. (2018). Patent №124563 Ukraine IPC (2018.01) G06F 7/00 Full single-digit adder. № u 2017 11720; stated 30/11/2017; Bull. № 7.
Palagin, A. V., Boyun, V. P., & Yakovlev, Y. S. (2017). Problems of creating computer systems using nanoelement base. Control systems and machines, 5, 3–15. https://doi.org/10.15407/usim.2017.05.003
Pikh, V. Ya., Voronych, A. R., Nykolaichuk, Ya. M. (2015). High-performance special processors of correlation, spectral and entropic signal processing. Proceedings of the International Scientific School-Seminar "Computational Optimization Issues", 49–50.
Vozna, N. Y., Nykolaychuk, Y. M., & Volynskyi, O. I. (2019). Algorithms for Solving Problems of Cryptographic Protection of Color Image Pixels in the Rademacher's Basis and Residue Number Systems. Cybernetics and Systems Analysis 55(3), 474–487. https://doi.org/10.1007/s10559-019-00155-2
Vozna, N. Ya., Davletova, A. Ya., & Nikolaychuk, Ya. M. (2019). Methods of improving the structures of high-speed single-bit and multi-bit binary adders. Bulletin of the National University "Lviv Polytechnic" "Computer Systems and Networks". Vol. 1, no. 1, 35–52. https://doi.org/10.23939/csn2019.01.035
Vozna, N. Ya., Krulikovskyi, B. B., Nykolaichuk, Ya. M., Gryga, V. M., & Pikh, V. Ya. (2018). Analog-to-digital converter. Patent № 116176 Ukraine IPC H03M 1/38 (2006.01). Published on February 12, 2018, Bulletin no. 3.
Yakymenko, I., Kasianchuk, M., Ivasiev, S., Shevchuk, R., Batko, Y., & Vasylkiv, V. (2020). Method for Determining Prime and Relatively Prime Numbers of 2 n+k Type Based on the Periodicity Property. 10th International Conference on Advanced Computer Information Technologies (ACIT), Deggendorf, Germany. 751–754. https://doi.org/10.1109/ACIT49673.2020.9208812
Yatskiv, V., Tsavolyk, T., & Yatskiv, N. (2018). Burst error-correcting codes based on modular correcting codes.14th International Conference on Advanced Trends in Radioelecrtronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET). 1110–1113. https://doi.org/10.1109/TCSET.2018.8336388
Zadiraka, V. K., & Oleksyuk, O. S. (2003). Computer arithmetic of multi-digit numbers: Scientific publication. Kyiv, 264. [In Ukrainian].
Zadiraka, V., & Nykolaichuk, Ya. (2014). Methods of Effective Protection of Information Flows. Ternopil: Terno-graf, 308.
Авторське право (c) 2018 http://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
