무선 랜 모뎀용 저전력 FFT/IFFT프로세서 설계

신경욱,Shin Kyung-Wook 한국통신학회 2004 韓國通信學會論文誌 Vol.29 No.11A

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기반의 무선 랜 모뎀에 사용되는 고속/저전력 64-점 FFT/IFFT 프로세서 코어를 설계하였다. Radix-2/4/8 DIF (Decimation-In-Frequency) FFT 알고리듬을 R2SDF (Radix-2 Single-path Delay Feedback) 구조에 적용하여 설계하였으며, 내부 데이터 흐름 특성에 대한 분석을 토대로 데이터 패스의 불필요한 switching activity를 제거함으로써 전력소모를 최소화하였다. 회로 레벨에서는 내부의 상수 곱셈기와 복소수 곱셈기를 절사형(truncated) 구조로 설계하여 칩 면적과 전력소모가 감소되도록 하였다. Verilog-HDL로 설계된 64점 FFT/IFFT 코어는 0.25-$\mu\textrm{m}$ CMOS 셀 라이브러리로 합성한 결과, 약 28,100 게이트로 합성되었으며, 추출된 게이트 레벨 netlist와 SDF를 이용한 타이밍 시뮬레이션 결과, 50-MHz@2.5-V로 안전하게 동작하는 것으로 검증되어 64점 FFT/IFFT 연산에 1.3-${\mu}\textrm{s}$가 소요될 것으로 예상된다. 설계된 코어를 FPGA에 구현하여 다양한 테스트 벡터로 동작시킨 결과 정상 동작함을 확인하였으며, 50-dB 이상의 신호대잡음비(SNR) 성능과 50-MHz@2.5-V 동작조건에서 약 69.3-mW의 평균 전력모소를 나타내었다. A low-power 64-point FFT/IFFT processor core is designed, which is an essential block in OFDM-based wireless LAM modems. The radix-2/418 DIF (Decimation-ln-Frequency) FFT algorithm is implemented using R2SDF (Radix-2 Single-path Delay Feedback) structure. Some design techniques for low-power implementation are considered from algorithm level to circuit level. Based on the analysis on infernal data flow, some unnecessary switching activities have been eliminated to minimize power dissipation. In circuit level, constant multipliers and complex-number multiplier in data-path are designed using truncation structure to reduce gate counts and power dissipation. The 64-point FFT/IFFT core designed in Verilog-HDL has about 28,100 gates, and timing simulation results using gate-level netlist with extracted SDF data show that it can safely operate up to 50-MHz@2.5-V, resulting that a 64-point FFT/IFFT can be computed every 1.3-${\mu}\textrm{s}$. The functionality of the core was fully verified by FPGA implementation using various test vectors. The average SQNR of over 50-dB is achieved, and the average power consumption is about 69.3-mW with 50-MHz@2.5-V.

모오스 모델파라메터 추출 최적화 프로그램(Ⅰ)

신경욱(Kyung-Wook Shin),김영만(Young-Man Kim),김봉열(Bong-Ryul Kim),이문기(Moon-Key Lee),장덕호(Duck-Ho Jang),이만구(Man-Gu Lee),이철동(Chul-Dong Lee) 대한전자공학회 1985 대한전자공학회 학술대회 Vol.1985 No.6

3-way Toom-Cook 곱셈과 고속 축약 알고리듬을 이용한 521-비트 고성능 모듈러 곱셈기

양현준,신경욱,Yang, Hyeon-Jun,Shin, Kyung-Wook 한국정보통신학회 2021 한국정보통신학회논문지 Vol.25 No.12

본 논문은 타원곡선 암호에 핵심 연산으로 사용되는 모듈러 곱셈의 고성능 하드웨어 구현에 대해 기술한다. NIST P-521 곡선에 적합한 521-비트 고성능 모듈러 곱셈기를 3-way Toom-Cook 정수 곱셈과 고속 축약 알고리듬을 적용하여 설계하였다. 정수곱셈 결과에 3이 곱해져 출력되는 3-way Toom-Cook 알고리듬의 속성을 고려하여, 피연산자에 1/3을 곱한 Toom-Cook 도메인 상에서 모듈러 곱셈이 연산되도록 구현하였다. 모듈러 곱셈기를 xczu7ev FPGA 디바이스에 구현하여 하드웨어 동작을 검증하였으며, 69,958개의 LUT와 4,991개의 플립플롭 그리고 101개의 DSP 블록의 하드웨어 자원이 사용되었다. Zynq7 FPGA 디바이스에서 최대 동작주파수는 50 MHz으로 예측되었으며, 초당 약 416만 번의 모듈러 곱셈을 연산할 수 있는 것으로 평가되었다. This paper describes a high-performance hardware implementation of modular multiplication used as a core operation in elliptic curve cryptography. A 521-bit high-performance modular multiplier for NIST P-521 curve was designed by adopting 3-way Toom-Cook integer multiplication and fast reduction algorithm. Considering the property of the 3-way Toom-Cook algorithm in which the result of integer multiplication is multiplied by 1/3, modular multiplication was implemented on the Toom-Cook domain where the operands were multiplied by 3. The modular multiplier was implemented in the xczu7ev FPGA device to verify its hardware operation, and hardware resources of 69,958 LUTs, 4,991 flip-flops, and 101 DSP blocks were used. The maximum operating frequency on the Zynq7 FPGA device was 50 MHz, and it was estimated that about 4.16 million modular multiplications per second could be achieved.

224-비트 소수체 타원곡선을 지원하는 공개키 암호 프로세서의 저면적 구현

박병관,신경욱,Park, Byung-Gwan,Shin, Kyung-Wook 한국정보통신학회 2017 한국정보통신학회논문지 Vol.21 No.6

NIST 표준에 정의된 소수체(prime field) GF(p) 상의 224-비트 타원곡선을 지원하는 타원곡선 암호 프로세서를 설계하였다. 타원곡선 암호의 핵심 연산인 스칼라 점 곱셈을 수정형 Montgomery ladder 알고리듬을 이용하여 구현하였다. 점 덧셈과 점 두배 연산은 투영(projective) 좌표계를 이용하여 연산량이 많은 나눗셈 연산을 제거하였으며, 소수체 상의 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 제곱 연산만으로 구현하였다. 스칼라 점 곱셈의 최종 결과값은 다시 아핀(affine) 좌표계로 변환되어 출력하며, 이때 사용되는 역원 연산은 Fermat's little theorem을 이용하여 구현하였다. 설계된 ECC 프로세서를 Virtex5 FPGA로 구현하여 정상 동작함을 확인하였다. $0.18{\mu}m$공정의 CMOS 셀 라이브러리로 합성한 결과 10 MHz의 동작 주파수에서 2.7-Kbit RAM과 27,739 GE로 구현되었고, 최대 71 MHz의 동작 주파수를 갖는다. 스칼라 점 곱셈에 1,326,985 클록 사이클이 소요되며, 최대 동작 주파수에서 18.7 msec의 시간이 소요된다. This paper describes a design of cryptographic processor supporting 224-bit elliptic curves over prime field defined by NIST. Scalar point multiplication that is a core arithmetic function in elliptic curve cryptography(ECC) was implemented by adopting the modified Montgomery ladder algorithm. In order to eliminate division operations that have high computational complexity, projective coordinate was used to implement point addition and point doubling operations, which uses addition, subtraction, multiplication and squaring operations over GF(p). The final result of the scalar point multiplication is converted to affine coordinate and the inverse operation is implemented using Fermat's little theorem. The ECC processor was verified by FPGA implementation using Virtex5 device. The ECC processor synthesized using a 0.18 um CMOS cell library occupies 2.7-Kbit RAM and 27,739 gate equivalents (GEs), and the estimated maximum clock frequency is 71 MHz. One scalar point multiplication takes 1,326,985 clock cycles resulting in the computation time of 18.7 msec at the maximum clock frequency.

고속 퓨리어변환용 2차원 시스토릭 어레이를 위한 처리요소의 설계 및 제작

이문기,신경욱,최병윤,Lee, Moon-Key,Shin, Kyung-Wook,Choi, Byeong-Yoon 대한전자공학회 1990 전자공학회논문지 Vol. No.

고속 퓨리어변화(Fast Fourier Transform)연산용 2차원 시스토릭 어레이의 기본 구성요소인 단위 처리요소(Unit processing element)를 직접회로로 설계, 제작하고 제작된 칩을 평가하였다. 설계된 칩은 FFT 연산을 위한 데이타셔플링 기능과 반쪽 버터플라이 연산기능을 수행한다. 약 6,500여개의 트랜지스터로 구성된 이 칩은 표준셀 방식으로 설계되었으며, 2미크론 이중 금속 P-Well CMOS 공정으로 제작되었다. 제작된 칩을 웨이퍼 상태로 프로브카드를 이용하여 평가하였으며 그 결과, 20MHz 클럭 주파수에서 반쪽 버터플라이 연산이 0.5${\mu}sec$에 수행됨을 확인하였다. 본 논문에서 설계, 제작된 칩을 이용하여 1024-point FFT를 연산하는 경우 11.2${\mu}sec$의 시간이 소요될 것으로 예상된다. This paper describes the design and fabrication of a processing element that will be used as a component in the construction of a two dimensional systolic for FFT. The chip performs data shuffling and radix-2 decimation-in-time (DIT) butterfly arithmetic. It consists of a data routing unit, internal control logic and HBA unit which computes butterfly arithmetic. The 6.5K transistors processing element designed with standard cells has been fabricated with a 2u'm double metal CMOS process, and evaluated by wafer probing measurements. The measured characteristics show that a HBA can be computed in 0.5 usec with a 20MHz clok, and it is estimated that the FFT of length 1024 can be transformed in 11.2 usec.

공개키 암호 구현을 위한 경량 하드웨어 가속기

성병윤,신경욱,Sung, Byung-Yoon,Shin, Kyung-Wook 한국정보통신학회 2019 한국정보통신학회논문지 Vol.23 No.12

Described in this paper is a design of hardware accelerator for implementing public-key cryptographic protocols (PKCPs) based on Elliptic Curve Cryptography (ECC) and RSA. It supports five elliptic curves (ECs) over GF(p) and three key lengths of RSA that are defined by NIST standard. It was designed to support four point operations over ECs and six modular arithmetic operations, making it suitable for hardware implementation of ECC- and RSA-based PKCPs. In order to achieve small-area implementation, a finite field arithmetic circuit was designed with 32-bit data-path, and it adopted word-based Montgomery multiplication algorithm, the Jacobian coordinate system for EC point operations, and the Fermat's little theorem for modular multiplicative inverse. The hardware operation was verified with FPGA device by implementing EC-DH key exchange protocol and RSA operations. It occupied 20,800 gate equivalents and 28 kbits of RAM at 50 MHz clock frequency with 180-nm CMOS cell library, and 1,503 slices and 2 BRAMs in Virtex-5 FPGA device. ECC (Elliptic Curve Cryptography)와 RSA를 기반으로 하는 다양한 공개키 암호 프로토콜 구현을 지원하는 하드웨어 가속기 설계에 관해 기술한다. NIST 표준으로 정의된 소수체 상의 5가지 타원곡선과 3가지 키길이의 RSA를 지원하며 또한, 4가지 타원곡선 점 연산과 6가지 모듈러 연산을 지원하도록 설계되어 ECC와 RSA 기반 다양한 공개키 암호 프로토콜의 하드웨어 구현에 응용될 수 있다. 저면적 구현을 위해 내부 유한체 연산회로는 32 비트의 데이터 패스로 설계되었으며, 워드 기반 몽고메리 곱셈 알고리듬, 타원곡선 점 연산을 위해서는 자코비안 좌표계, 그리고 모듈러 곱의 역원 연산을 위해서는 페르마 소정리를 적용하였다. 설계된 하드웨어 가속기를 FPGA 디바이스에 구현하여 EC-DH 키교환 프로토콜과 RSA 암호·복호 둥작을 구현하여 하드웨어 동작을 검증하였다. 180-nm CMOS 표준 셀 라이브러리로 합성한 결과, 50 MHz 클록 주파수에서 20,800 등가게이트와 28 kbit의 RAM으로 구현되었으며, Virtex-5 FPGA 디바이스에서 1,503 슬라이스와 2개의 BRAM으로 구현되었다.

피드백 구조를 갖는 Self-Timed Ring 기반의 경량 TRNG

최준영,신경욱,Choe, Jun-Yeong,Shin, Kyung-Wook 한국정보통신학회 2020 한국정보통신학회논문지 Vol.24 No.2

정보보안 응용에 적합한 self-timed 링 (ring) 기반 TRNG (true random number generator)의 경량 하드웨어 설계에 관해 기술한다. TRNG의 하드웨어 복잡도를 줄이기 위해 피드백 구조의 엔트로피 추출기를 제안하였으며, 이를 통해 링 스테이지 수를 최소화 하였다. 본 논문의 FSTR-TRNG는 동작 주파수와 엔트로피 추출 회로를 고려하여 링 스테이지 수가 11의 배수가 되도록 결정되었으며, 링 발진기가 등간격 모드로 진동할 수 있도록 토큰 (token)과 버블(bubble) 개수의 비를 결정하였다. FSTR-TRNG는 FPGA 디바이스에 구현하여 난수 생성 동작을 검증하였다. Spartan-6 FPGA 디바이스에 구현된 FSTR-TRNG로부터 2,000만 비트의 데이터를 추출하여 NIST SP 800-22에 규정된 통계학적 무작위성 테스트를 수행한 결과, 15개의 테스트가 모두 기준을 만족하는 것으로 확인되었다. Spartan-6 FPGA 디바이스로 합성한 FSTR-TRNG는 46 슬라이스로 구현이 되었으며, 180 nm CMOS 표준셀로 합성하는 경우에는 약 2,500 등가 게이트로 구현되었다. A lightweight hardware design of self-timed ring based true random number generator (TRNG) suitable for information security applications is described. To reduce hardware complexity of TRNG, an entropy extractor with feedback structure was proposed, which minimizes the number of ring stages. The number of ring stages of the FSTR-TRNG was determined to be a multiple of eleven, taking into account operating clock frequency and entropy extraction circuit, and the ratio of tokens to bubbles was determined to operate in evenly-spaced mode. The hardware operation of FSTR-TRNG was verified by FPGA implementation. A set of statistical randomness tests defined by NIST 800-22 were performed by extracting 20 million bits of binary sequences generated by FSTR-TRNG, and all of the fifteen test items were found to meet the criteria. The FSTR-TRNG occupied 46 slices of Spartan-6 FPGA device, and it was implemented with about 2,500 gate equivalents (GEs) when synthesized in 180 nm CMOS standard cell library.

EGML 기반 이동객체 검출 프로세서의 저면적 하드웨어 구현

성미지,신경욱,Sung, Mi-ji,Shin, Kyung-wook 한국정보통신학회 2017 한국정보통신학회논문지 Vol.21 No.12

This paper proposes an efficient approach for hardware implementation of moving object detection (MOD) processor using effective Gaussian mixture learning (EGML)-based background subtraction method. Arithmetic units used in background generation were implemented using LUT-based approximation to reduce hardware complexity. Hardware resources used for both background subtraction and Gaussian probability density calculation were shared. The MOD processor was verified by FPGA-in-the-loop simulation using MATLAB/Simulink. The MOD performance was evaluated by using six types of video defined in IEEE CDW-2014 dataset, which resulted the average of recall value of 0.7700, the average of precision value of 0.7170, and the average of F-measure value of 0.7293. The MOD processor was implemented with 882 slices and block RAM of $146{\times}36kbits$ on Virtex5 FPGA, resulting in 60% hardware reduction compared to conventional design based on EGML. It was estimated that the MOD processor could operate with 75 MHz clock, resulting in real-time processing of $800{\times}600$ video with a frame rate of 39 fps. EGML (Effective Gaussian Mixture Learning) 기반의 배경차분 기법을 이용한 이동객체 검출 (Moving Object Detection; MOD) 프로세서의 효율적인 하드웨어 구현 방식을 제안한다. 하드웨어 복잡도를 감소시키기 위해 배경 생성에 사용되는 일부 연산을 근사화하여 구현하였으며, 배경차분과 가우시안 계산의 나눗셈 연산에 사용되는 하드웨어 자원이 공유되도록 설계하였다. 설계한 MOD 프로세서는 MATLAB/Simulink를 이용한 HDL-netlist 시뮬레이션과 FPGA-in-the-loop 방식을 통해 기능을 검증하였다. IEEE CDW-2014 데이터 세트의 6가지 영상을 입력으로 사용하여 MOD 성능을 평가한 결과, 평균 재현율(recall)은 0.7700, 평균 정밀도(precision)는 0.7170, F-measure가 0.7293으로 평가되었다. Xilinx ISE를 이용하여 FPGA 합성한 결과, Virtex5 XC5VSX95T 디바이스에서 총 882 슬라이스와 $146{\times}36kbit$의 블록 램으로 구현되었으며, 동일한 알고리듬을 적용한 기존의 구현 사례에 비해 약 60%의 하드웨어를 감소시켰다. MOD 프로세서는 최대 75 MHz의 클록 주파수로 동작하여 $800{\times}600$ 해상도의 영상에 대해 39 fps의 성능으로 실시간 처리가 가능한 것으로 평가되었다.

개선된 정규화 최소합 알고리듬을 적용한 WiMAX/WLAN용 LDPC 복호기

서진호,신경욱,Seo, Jin-Ho,Shin, Kyung-Wook 한국정보통신학회 2014 한국정보통신학회논문지 Vol.18 No.4

본 논문에서는 개선된 정규화 최소합(improved normalized min-sum) 복호 알고리듬을 적용한 LDPC 복호기를 설계하였다. 설계된 LDPC 복호기는 IEEE 802.16e 모바일 WiMAX 표준의 19가지 블록길이(576~2304)에 따른 6가지 부호율(1/2, 2/3A, 2/3B, 3/4A, 3/4B, 5/6)과 IEEE 802.11n 무선 랜 표준의 3가지 블록길이(648, 1296, 1944)에 따른 4가지 부호율(1/2, 2/3, 3/4, 5/6)을 지원한다. INMS 복호 알고리듬과 SM(sign-magnitude) 수체계 연산을 기반으로 하는 DFU(decoding function unit)을 구현하여 하드웨어 복잡도와 복호 성능을 최적화시켰다. 설계된 LDPC 복호기는 0.18-${\mu}m$ CMOS 셀 라이브러리를 이용하여 100 MHz 동작 주파수로 합성한 결과, 284,409 게이트와 62,976 비트의 메모리로 구현되었으며, FPGA 구현을 통해 하드웨어 동작을 검증하였다. 1.8V 전원전압에서 100 MHz로 동작 가능할 것으로 평가되며, 부호율과 블록길이에 따라 약 82~218 Mbps의 성능을 가질 것으로 예상된다. A hardware design of LDPC decoder which is based on the improved normalized min-sum(INMS) decoding algorithm is described in this paper. The designed LDPC decoder supports 19 block lengths(576~2304) and 6 code rates(1/2, 2/3A, 2/3B, 3/4A, 3/4B, 5/6) of IEEE 802.16e mobile WiMAX standard and 3 block lengths(648, 1296, 1944) and 4 code rates(1/2, 2/3, 3/4, 5/6) of IEEE 802.11n WLAN standard. The decoding function unit(DFU) which is a main arithmetic block is implemented using sign-magnitude(SM) arithmetic and INMS decoding algorithm to optimize hardware complexity and decoding performance. The LDPC decoder synthesized using a 0.18-${\mu}m$ CMOS cell library with 100 MHz clock has 284,409 gates and RAM of 62,976 bits, and it is verified by FPGA implementation. The estimated performance depending on code rate and block length is about 82~218 Mbps at 100 MHz@1.8V.

TOF 센서용 3차원 깊이 영상 추출을 위한 차동 CORDIC 기반 고속 위상 연산기

구정윤,신경욱,Koo, Jung-Youn,Shin, Kyung-Wook 한국정보통신학회 2014 한국정보통신학회논문지 Vol.18 No.3

TOF(Time-Of-Flight) 센서에 의해 획득된 정보로부터 3차원 깊이 영상(depth image)을 추출하기 위한 위상 연산기 하드웨어를 구현한다. 설계된 위상 연산기는 DCORDIC(Differential COordinate Rotation DIgital Computer) 알고리듬의 벡터링 모드를 이용하여 아크탄젠트 연산을 수행하며, 처리량과 속도를 늘리기 위해 잉여 이진 수체계와 파이프라인 구조를 적용하였다. 고정 소수점 MATLAB 시뮬레이션을 통해 검증하고 최적 데이터 비트 수 및 반복 횟수를 결정하였으며, MATLAB/Simulink와 FPGA 연동을 통해 하드웨어 동작을 검증하였다. TSMC $0.18-{\mu}m$ CMOS 공정으로 테스트 칩을 제작하였으며, 테스트 결과 정상 동작함을 확인하였다. 약 82,000 게이트로 구현되었고, 400MHz@1.8V로 동작하여 400 MS/s의 연산 성능을 갖는 것으로 평가되었다. A hardware implementation of phase calculator for extracting 3D depth image from TOF(Time-Of-Flight) sensor is described. The designed phase calculator adopts redundant binary number systems and a pipelined architecture to improve throughput and speed. It performs arctangent operation using vectoring mode of DCORDIC(Differential COordinate Rotation DIgital Computer) algorithm. Fixed-point MATLAB simulations are carried out to determine the optimal bit-widths and number of iteration. The phase calculator has ben verified by FPGA-in-the-loop verification using MATLAB/Simulink. A test chip has been fabricated using a TSMC $0.18-{\mu}m$ CMOS process, and test results show that the chip functions correctly. It has 82,000 gates and the estimated throughput is 400 MS/s at 400Mhz@1.8V.