密碼事關(guān)政治、經(jīng)濟(jì)、國防和信息安全，是保護(hù)黨和國家根本利益的國之重器。近年來，量子計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，對傳統(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)典計算機(jī)兼容、具備抵抗量子計算攻擊能力的抗量子密碼應(yīng)運(yùn)而生。2016年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）率先啟動了抗量子密碼算法競賽，經(jīng)過三輪評選，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，中國密碼學(xué)會啟動了全國密碼算法設(shè)計競賽，并于2020年1月公布了獲勝的抗量子密碼算法； 2025年，我國商用密碼標(biāo)準(zhǔn)研究院發(fā)起了新一代商用密碼算法征集活動，來推動我國抗量子密碼算法的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。歐盟、英國、澳大利亞、日本等國家和地區(qū)也在積極推動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，世界各主要國家也已經(jīng)啟動了抗量子密碼算法的遷移工作，為應(yīng)對量子計算機(jī)帶來的巨大安全威脅做準(zhǔn)備。

　　2006年起，著者團(tuán)隊開始研究動態(tài)可重構(gòu)計算芯片。2009年，我們嘗試基于動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)開展密碼處理器設(shè)計，經(jīng)過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，我們對這項研究工作進(jìn)行了總結(jié)，撰寫了《可重構(gòu)計算密碼處理器》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，我們對這項知識產(chǎn)權(quán)進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，創(chuàng)立了無錫沐創(chuàng)集成電路設(shè)計有限公司，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，無錫沐創(chuàng)集成電路設(shè)計有限公司已經(jīng)發(fā)展成為我國密碼芯片領(lǐng)域重要的民營企業(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，但考慮到量子計算機(jī)對信息安全帶來的潛在威脅，我們果斷將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了動態(tài)可重構(gòu)抗量子密碼芯片的研究，在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金面上項目等國家計劃的持續(xù)支持下，經(jīng)過近十年的努力，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、敏捷公鑰密碼計算通路設(shè)計、自適應(yīng)物理安全防護(hù)機(jī)制等多項關(guān)鍵技術(shù)，并聯(lián)合無錫沐創(chuàng)集成電路設(shè)計有限公司研發(fā)了兩款商用的抗量子密碼芯片，在此過程中，我們陸續(xù)將研究工作發(fā)表在ISSCC、CHES、HOST等會議上，其中，發(fā)表在ISSCC 2022的論文介紹了團(tuán)隊研發(fā)的全球首款支持多個數(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)隊研發(fā)的全球首款能夠支持國內(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內(nèi)外同行的認(rèn)可，張能博士于2023年獲評中國密碼學(xué)會優(yōu)秀博士論文獎（該學(xué)會首篇芯片方向優(yōu)博），朱益宏博士于2024年獲評IEEE固態(tài)電路學(xué)會博士生成就獎（全球每年評20余人），并有多位團(tuán)隊成員受邀擔(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，接下來進(jìn)一步總結(jié)標(biāo)準(zhǔn)化過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)計挑戰(zhàn)。第2章對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)討論核心計算模塊的高效計算方法。第3章對當(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)計方法。第4章從抗量子密碼核心計算功能出發(fā)，介紹具體的電路級可重構(gòu)設(shè)計方法。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章對具有抗量子攻擊屬性的密碼算法發(fā)展趨勢和芯片技術(shù)發(fā)展趨勢進(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)驗室近十年的科研成果，并總結(jié)了國內(nèi)外最新的研究進(jìn)展，力爭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。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、歐陽屹、楊明遠(yuǎn)、張佳男、張能、李重陽、戴彤蔚等同事和同學(xué)的持續(xù)努力。感謝魏少軍教授對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我工作的理解和寬容，你們的愛是我前進(jìn)的重要動力！

　　本書得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（No.2023YFB4403500）和國家自然科學(xué)基金項目（No. 62274102）的支持！

劉雷波
2025年3月于清華園