With the expansion of data-intensive applications and increasing data volumes, providing an efficient solution to address growing energy consumption and performance degradation caused by the transfer of large amounts of data between the processor and the main memory has become a severe challenge. The frequent transfer of large amounts of data between internal chip units, memories, and their interconnections exacerbates the vulnerability of the data being accessed. Employing a memristive Computation In-Memory-Array (CIM-A) architecture limits data transfer, thereby addressing both challenges. Furthermore, by integrating lightweight cryptography, developed to secure data in hardware-constrained devices, with CIM-A architectures, the security of data in transit, especially across interconnections, can be ensured. This paper implements two standard lightweight stream ciphers, Trivium and Grain-128a, for CIM using stateful material implication (IMPLY) logic to address these combined security and performance challenges. In addition to redesigning the cryptographic structures, we reduce the hardware complexity of conventional IMPLY-based implementations by proposing an efficient method for shifting data within the shift registers. Applying the proposed data-shifting method to the registers of these ciphers reduces the number of computational steps and decreases energy consumption by up to 42% and 44%, respectively, compared to conventional implementations. Finally, the performance of the proposed circuits is evaluated in a steganography application, demonstrating their practical efficiency.


翻译:随着数据密集型应用的扩展和数据量的增加,如何提供高效解决方案以应对因处理器与主存间大量数据传输导致的能耗增长和性能下降,已成为严峻挑战。芯片内部单元、存储器及其互连之间频繁的大量数据传输加剧了数据被访问的脆弱性。采用忆阻器存内计算阵列架构可限制数据传输,从而同时应对这两大挑战。此外,将专为硬件受限设备数据安全而开发的轻量级密码学与存内计算阵列架构相结合,可确保传输中数据(尤其是互连传输数据)的安全性。本文利用有状态蕴含逻辑实现两种标准轻量级流密码(Trivium和Grain-128a)的存内计算版,以解决安全与性能的双重挑战。除重新设计密码结构外,我们提出一种高效的移位寄存器内数据迁移方法,降低了传统基于蕴含逻辑实现的硬件复杂度。将该数据迁移方法应用于这些密码的寄存器后,相比传统实现,计算步数减少了42%,能耗降低了44%。最后,在隐写应用中评估了所提出电路的性能,验证了其实用效率。

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