博 士 論 文 概 要
7
0
0
全文
(2) 近 年 の 高 度 情 報 化 社 会 の 到 来 に よ り ， CALS (Continuous Acquisition and L i f e - c y c l e ) / E D I ( E l e c t r o n i c D a t a I n t e r c h a n g e ) ，電 子 商 取 引 ，音 楽 や 映 像 な ど の 電子情報販売といった電子情報サービスが広く普及しており，今後も社会に浸透 し，効率的な生活を提供する手段として期待されている．これらの電子情報サー ビスを車載向け，携帯情報機器向け，家電向けなど幅広い分野で利用していくこ とで，人々がその場所や存在を意識することなく情報が通信される．これをユビ キタス情報通信と呼ぶ．今後ユビキタス情報通信が実現されるにつれて，電子情 報サービスのネットワーク化が促進されることは明らかである．また，電子情報 サービスへの応用の始まっているメディア処理技術としては，携帯情報機器の GUI (Graphical User Interface)や 画 像 圧 縮 技 術 ， カ ー ナ ビ ゲ ー シ ョ ン シ ス テ ム や 家 庭 用 ゲ ー ム 機 器 に 用 い ら れ る 3 次 元 グ ラ フ ィ ッ ク ス 技 術 ，D V D レ コ ー ダ ー 等 に用いられるビデオ信号処理技術がある．画像処理や音声処理に代表されるメデ ィア処理では多様な規格に対応する必要があり，また，その通信方式，通信媒体 も 多 様 化 す る ． 今 後 高 品 質 な 電 子 情 報 サ ー ビ ス を 提 供 す る た め に は １ GOPS (Giga Operations Per Second)を 超 え る 処 理 性 能 を 必 要 と し て い る ． こ の よ う に 幅広い情報処理，通信処理分野において，これまで以上に高速な処理能力を発揮 す る た め に ，シ ス テ ム L S I ，S o C ( S y s t e m O n a C h i p ) ，S i P ( S y s t e m I n P a c k a g e ) と言われる付加価値の高い高性能集積回路に対する注目は高い． 今日の情報通信やユビキタス情報通信を用いた電子情報サービスをさらに高品 質 に す る た め に ， 携 帯 情 報 機 器 向 け シ ス テ ム LSI に は 次 の 要 求 が あ る ． ・ 暗号技術による安全性の確保 ・ メ デ ィ ア 処 理 LSI の 高 性 能 化 ネットワーク化が進んだサービスでは，情報が大きな価値を持つようになり，情 報に対する安全性を確保する暗号技術は重要な意味を持つ．暗号技術による安全 性とは，秘匿性，認証，信用保証，否認防止が挙げられる．暗号技術により「特 定の相手」と「安全な通信」が可能となる．また，今日の電子情報サービスにお いて，メディア情報はその根幹をなすものであり，その品質が電子情報サービス の優劣を決定することは明らかであろう．携帯情報機器で扱うメディア情報は， 音声，画像，文字に集約される．これらの情報をディジタル情報として扱えるよ うに変換・処理し目的に応じて統合し，相互に送受信することで，今後の電子情 報サービスは社会に広く浸透していく．メディア処理が高い処理性能を求められ る 一 方 で ， 携 帯 情 報 機 器 向 け シ ス テ ム LSI で は 小 面 積 化 ， 低 消 費 電 力 化 ， 設 計 生 産 性 の 向 上 が 求 め ら れ る ． す な わ ち ， 携 帯 情 報 機 器 向 け シ ス テ ム LSI で は ， 暗 号 処理による安全性の確保，高速なメディア処理が必須であり，高性能なシステム LSI 設 計 手 法 の 開 発 は 急 務 で あ る ． 本 論 文 で は ま ず ，暗 号 技 術 に よ る 安 全 性 の 確 保 に 注 目 す る ．シ ス テ ム LSI に お いて古くから研究されている暗号技術に共通鍵暗号と公開鍵暗号がある．特に鍵 1.
(3) 管理の簡便な公開鍵暗号が盗聴を防ぎ，改ざんを防止し，認証機能の優れている 暗号技術として有効であり，広く使用されている．現在の公開鍵暗号のデファク ト ス タ ン ダ ー ド は 1 9 7 8 年 に 発 明 さ れ た R S A 暗 号 で あ る ．R S A 暗 号 の 安 全 性 は 素 因数分解問題の困難性に依拠している．しかし，素因数分解問題は，指数計算法 と呼ばれる強力な手法が適用でき，計算時間が準指数時間となるような解読法を 持つ．そこで次世代の公開鍵暗号として楕円曲線暗号が注目されている．楕円曲 線暗号の安全性は楕円離散対数問題の困難性に依拠している．楕円離散対数問題 に対しては，現在のところ計算時間が指数時間の解読法しか見つかっていない． こ の た め 鍵 の サ イ ズ が 1024 ビ ッ ト 程 度 の RSA 暗 号 に 対 し ， 同 程 度 の 安 全 性 を ， 鍵 の サ イ ズ が 160 ビ ッ ト 程 度 の 楕 円 曲 線 暗 号 で 実 現 す る こ と が で き る ． 暗 号 LSI は鍵のサイズが小さくできることに応じて，処理速度が高速になり，小面積，低 消費電力になることが期待される．楕円曲線暗号の主要演算である有限体上の乗 算 と ，楕 円 曲 線 暗 号 LSI ア ー キ テ ク チ ャ に 関 す る 研 究 は 活 発 で あ り ，こ れ ま で 多 く の 乗 算 器 ，楕 円 曲 線 暗 号 LSI が 発 表 さ れ て い る ．こ れ ら は 高 速 化 の た め に 特 殊 な 楕 円 曲 線 を 採 用 し た 楕 円 曲 線 暗 号 L S I と ，マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ 形 式 の 楕 円 曲 線 暗 号 LSI で あ る ．前 者 は 楕 円 曲 線 の 特 殊 性 か ら 高 速 処 理 が 可 能 で あ る が ，安 全 性 に対して課題があり，また暗号適用範囲の柔軟性も乏しい．後者は高速化のため に 動 作 周 波 数 を 高 く し て お り ，携 帯 情 報 機 器 向 け と し て は 消 費 電 力 が 問 題 と な る ． このため，より一般的な楕円曲線に対し高速な処理を可能にし，動作周波数を低 く す る 工 夫 を し た 有 限 体 上 の 乗 算 器 を 搭 載 し た 楕 円 曲 線 暗 号 LSI ア ー キ テ ク チ ャ の提案が求められている． そ こ で 本 論 文 で は ，携 帯 情 報 機 器 向 け 楕 円 曲 線 暗 号 LSI を 提 案 す る ．楕 円 曲 線 暗号で主要な演算である有限体上の乗算アルゴリズムとして有限体上の乗算を並 列に実行できるワードベースモンゴメリ乗算を採用する．提案する楕円曲線暗号 LSI は ， 現 在 の 1024 ビ ッ ト の RSA 暗 号 で は 処 理 時 間 が 15〜 190ms で あ る の に 対 し ， 回 路 面 積 38Kgates で 160 ビ ッ ト の 暗 号 化 を 3.6ms で 実 行 可 能 で あ る ． ま た，ワードベースモンゴメリ乗算器のビット幅，個数の構成を変えることで，回 路面積，処理時間，動作周波数のスケーラビリティを実現し，既存の楕円曲線暗 号 LSI と 比 較 し て ， 動 作 周 波 数 を 200MHz 以 下 に 抑 え 高 速 処 理 を 実 現 し て い る ． 本 論 文 で は 次 に ，メ デ ィ ア 処 理 LSI の 高 性 能 化 に 注 目 す る ．携 帯 情 報 機 器 向 け シ ス テ ム LSI お け る メ デ ィ ア 処 理 で は ，他 の 処 理 と の 並 列 処 理 の た め ，独 立 し た モジュールでの設計が一般的である．メディア処理の中でも画像処理は特に大量 の 演 算 を 必 要 と す る ． 静 止 画 像 圧 縮 と し て JPEG， JPEG2000 や 動 画 像 圧 縮 と し て Motion-JPEG，MPEG-4，H.264 な ど 多 種 多 様 な 規 格 が あ り ，そ の LSI ア ー キ テクチャは盛んに研究されている．これらの画像処理は高速実行が求められ，携 帯 情 報 機 器 向 け LSI で あ れ ば ， 小 面 積 ， 低 消 費 電 力 と の ト レ ー ド オ フ に よ り ， 必 要な性能が決定される．これらの要求を解決する方法として，専用ハードウェア 2.
(4) 設計や特定アプリケーション向けプロセッサ設計が提案され，回路面積，処理時 間，消費電力のトレードオフを考慮したアーキテクチャがモデル化されている． し か し な が ら ，携 帯 情 報 機 器 を 対 象 と し た シ ス テ ム LSI は ，設 計 期 間 の 長 期 化 に よ り ， Time to Market(市 場 に 製 品 を 投 入 す る ま で の 時 間 )の 短 縮 が 課 題 と な っ て いる．通信プロトコルや画像圧縮方式も用途に応じて多数の規格が定義され，そ の 変 更 に 応 じ て シ ス テ ム LSI を 再 設 計 す る こ と は 設 計 コ ス ト の 問 題 か ら 困 難 に な っている．また，回路の大規模化による検証の困難さも問題となっている．この よ う な 問 題 か ら ，シ ス テ ム LSI を 設 計 す る た め に は ，自 動 設 計 環 境 あ る い は 設 計 支 援 環 境 が 必 須 で あ る ． LSI 自 動 設 計 環 境 と し て 抽 象 度 の 高 い 動 作 レ ベ ル 記 述 か らハードウェア記述を自動生成する高位合成の研究が盛んである．高位合成シス テ ム で は ， IP 再 利 用 技 術 ， I/F 合 成 技 術 ， 高 位 合 成 技 術 ， ア ー キ テ ク チ ャ 探 索 技 術 に よ り 論 理 合 成 可 能 な H D L ( H a r d w a r e D e s c r i p t i o n L a n g u a g e ) を 生 成 す る ．高 位 合 成 シ ス テ ム に よ り ，ア ー キ テ ク チ ャ が モ デ ル 化 さ れ た 画 像 処 理 L S I を 設 計 す る試みがある．使用用途に合わせて回路面積，処理時間などの設計制約を満足さ せ る L S I 設 計 を 短 期 間 で 行 う こ と が で き る ．し か し な が ら ，シ ス テ ム L S I の さ ら なる高機能化にともない，消費電力の増加が懸念されるため，高性能メディア処 理 L S I を 高 位 合 成 シ ス テ ム で 設 計 す る た め に は ，高 位 設 計 段 階 に お け る 低 消 費 電 力化技術の開発が急務である． そ こ で 本 論 文 で は ， 高 位 設 計 段 階 に お け る 低 消 費 電 力 化 手 法 と し て ， Gated Clock を 用 い た 低 消 費 電 力 化 手 法 を 提 案 す る ． 提 案 手 法 で は 回 路 内 で 局 所 的 な レ ジ ス タ を 見 つ け 出 し ， そ の レ ジ ス タ が ス レ ッ ド (並 列 に 動 作 す る 回 路 ブ ロ ッ ク )内 部に生成されるようにスレッドを分割する．分割されたスレッドは，実現するデ ータパスの依存関係を保つために同期通信が生成され，スレッドは待機状態を持 つ ．待 機 状 態 に あ る ス レ ッ ド に 対 し Gated Clock を 適 用 す る こ と で ス イ ッ チ ン グ に よ る 消 費 電 力 を 削 減 す る ．ス レ ッ ド に 対 す る G a t e d C l o c k は レ ジ ス タ 一 つ 一 つ に対して制御回路を生成しないため，回路面積の増加が抑えられる．また，多数 の レ ジ ス タ に 対 し ， ま と め て Gated Clock を 適 用 す る た め ， ク ロ ッ ク に 対 す る フ ァンアウト数を等価的に削減でき，クロックネットで消費される電力も削減する こ と が で き る ．携 帯 情 報 機 器 向 け シ ス テ ム L S I に お け る 画 像 処 理 モ ジ ュ ー ル の 消 費 電 力 は 少 な く と も 100mW 以 下 が 求 め ら れ る ． 提 案 す る 高 位 設 計 段 階 に お け る 低 消 費 電 力 化 手 法 は 3 0 m W の 消 費 電 力 の J P E G エ ン コ ー ダ に 対 し ，3 3 ％ の 消 費 電 力 を 削 減 し た ．携 帯 情 報 機 器 向 け シ ス テ ム LSI で は ，相 対 的 に メ デ ィ ア 処 理 部 の 消費電力が大きいため，メディア処理部の消費電力を削減することで，システム LSI 全 体 の 低 消 費 電 力 化 が 可 能 で あ る ． 本論文の提案により，次世代の暗号処理により安全性を確保した携帯情報機器 向 け シ ス テ ム LSI ア ー キ テ ク チ ャ を 開 発 し ，よ り 小 面 積 ，低 消 費 電 力 な 高 性 能 シ ス テ ム LSI 設 計 を 実 現 す る ． 3.
(5) 研 究 業 績 種 類 別. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. 論文○. J. Uchida, N. Togawa, M. Yanagisawa, T. Ohtsuki, A fast elliptic curve cryptosystem LSI embedding word‑based Montgomery multiplier, IEICE Trans. on Electronics, Mar., 2006．(掲載決定). 論文. S. Kohara, N. Tomono, J. Uchida, Y. Miyaoka, N. Togawa, M. Yanagisawa, T. Ohtsuki, An interface‑circuit synthesis method with configurable processor core in IP‑based SoC designs Proc. of Asia and South Pacific Design Automation Conference 2006 (ASP‑DAC 2006), pp. 594‑599, Jan., 2006.. 論文. H. Kawazu, J. Uchida, Y. Miyaoka, N. Togawa, M. Yanagisawa, T. Ohtsuki, Sub‑operation parallelism optimization in SIMD processor core synthesis, IEICE Trans. on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, vol. E88‑A, no. 4, pp. 876‑884, 2005.. 論文. N. Tomono, S. Kohara, J. Uchida, Y. Miyaoka, N. Togawa, M. Yanagisawa, T. Ohtsuki, A Processor Core Synthesis in IP‑based SoC Design, Proc. of. Asia and South Pacific Design Automation Conference 2005 (ASP‑DAC 2005)， pp. 286‑291, Jan., 2005. 論文○. J. Uchida, N. Togawa, M. Yanagisawa, T. Ohtsuki, High‑Level power optimization based on thread partitioning, IEICE Trans. on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, vol. E87‑A, no. 12, pp. 3075‑3082, 2004.. 論文. K.Shimizu, J. Uchida, N. Togawa, M. Yanagisawa, T. Ohtsuki, FPGA‑based reconfigurable adaptive FEC, IEICE Trans. on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, vol. E87‑A,no.12, pp. 3036‑3046, 2004.. 論文○. J. Uchida, N. Togawa, M. Yanagisawa, T. Ohtsuki, A thread partitioning algorithm in low power high‑level synthesis, Proc. of Asia and South Pacific Design Automation Conference 2004 (ASP‑DAC 2004), pp. 74‑79, 2004.. 論文○. J. Uchida, Y. Miyaoka, N. Togawa, M. Yanagisawa,T. Ohtsuki, Experimental evaluation of high‑level energy optimization based on thread partitioning, Proc. IEEE Asia― Pacific Conference on Circuits and Systems 2004 (APCCAS 2004), pp. 161‑164, 2004.. 論文. H. Kawazu, J. Uchida, Y. Miyaoka, N. Togawa, M. Yanagisawa, T. Ohtsuki, A sub‑operation parallelism optimization algorithm in HW/SW partitioning for SIMD prcessor cores, Proc. Synthesis and Ststem Integration of Mixed Information Technologies (SASIMI2004), pp. 483‑490, 2004. 5.
(6) 講演. 内田純平，奈良竜太，宮岡祐一郎，戸川望，柳澤政生，大附辰夫， ワードベー スモンゴメリ乗算器を搭載した高速楕円曲線暗号 LSI， 信学技法，VLD2004‑125, ICD2004‑221, vol. 104, no. 708, pp. 5‑10, ISSN0913‑5685, Mar., 2005.. 講演. 小林伸行，久門亨，内田純平，後藤敏，池永剛，角尾幸， 高性能 GF(p)演算噐を 搭載した楕円曲線暗号 LSI, 2005 年 暗号と情報セキュリティシンポジウム (SCIS 2005), pp. 301‑306, Jan., 2005.. 講演. 田中 真，内田純平，宮岡祐一郎，戸川 望，柳澤政生，大附辰夫， フロアプラ ントとタイミング制約に基づくレジスタ間転送を考慮した高位合成手法, 情報 処理学会 DA シンポジウム 2004 論文集，pp. 283‑288，2004．. 講演. 友野直紀，小原俊逸，内田純平，宮岡祐一郎，戸川 望，柳澤政生，大附辰夫， IP 再利用を考慮したシステム LSI におけるプロセッサ合成システム， 情報処理学 会 DA シンポジウム 2004 論文集，pp. 19‑24，2004．. 講演. 小林伸行，久門亨，池永剛，後藤敏，内田純平，角尾幸保， 楕円曲線暗号の LSI 化, 第 8 回システム LSI ワークショップ，pp. 339‑342，Nov., 2004．. 講演. 田中 明，内田純平，宮岡祐一郎，戸川 望，柳澤政生，大附辰夫， レジスタ分 散型アーキテクチャを対象とするフロアプランを考慮した高位合成手法， 信学 技法，VLD2004‑82，ICD2004‑168, DC2004‑68，pp. 127‑132, Mar.，2004．. 講演. 小林伸行，久門 亨，内田純平，後藤 敏，池永 剛，角尾幸保， Nbit‑wise モン ゴメリ乗算回路を搭載した楕円曲線暗号回路の実装, 2004 ソサイエティ大会講 演論文集，pp. S‑23‑24，Sept.，2004．. 講演. 松浦 努，内田純平，宮岡祐一郎，戸川 望，柳澤政生，大附辰夫， ネットワー ク合成システム， 信学技法，VLD2003‑145，ICD2003‑238，vol. 103, no. 702, pp. 55‑60. Mar.，2004．. 講演. 携帯機器を対象とした 舩田雅史，内田純平，戸川 望，柳澤政生，大附辰夫, Java 動的コンパイラにおけるプロファイリングシステム, 情報処理学会研究報 告，2004‑MBL‑008，pp. 55‑62, Vol. 2004, No. 21, ISSN 0919‑6072, Mar.，2004．. 講演. 清水一範，内田純平，宮岡祐一郎，戸川 望，柳澤政生，大附辰夫， インターリ ーブを考慮した Reconfigurable Adaptive FEC， 信学技法，VLD2003‑151， ICD2003‑244，vol. 103, no. 703, pp. 7‑12, Mar.，2004．. 講演. 加藤久晴，内田純平，宮岡祐一郎，戸川 望，柳澤政生，大附辰夫， Packed SIMD 型命令を持つプロセッサ合成システムのためのリターゲッタブルコンパイラ， 信学技法，VLD2003‑157，ICD2003‑150，vol. 103, no. 703, pp. 41‑46, Mar.， 2004． 6.
(7) 講演. 小田雄一，内田純平，宮岡祐一郎，戸川望，橘 昌良，柳澤政生，大附辰夫， HW/SW 分割システムにおける仮想 IP 類推手法， 信学技法，VLD2003‑158，ICD2003‑151， vol. 103, no. 703, pp. 47‑52, Mar.，2004．. 講演. 石川裕一朗，内田純平，宮岡祐一郎，戸川 望，柳澤政生，大附辰夫， 面積制約 を考慮した CAM プロセッサ最適化手法， 信学技法， VLD2003‑152，ICD2003‑245， vol. 103, no. 703, pp. 13‑18, Mar.，2004．. 講演. 内田純平, 戸川 望, 柳澤政生, 大附辰夫, 高位合成システムにおけるスレッド 分割を用いた低消費電力化手法, 信学技法, VLD2002‑156, ICD2002‑221, Mar., 2002.. 7.
(8)
関連したドキュメント
[4] Takako Ogawa, Tetsuyuki Harada, Hiroshi Ozaki and Kintake Sonoike (2013) Disruption of the ndhF1 gene affects chlorophyll fluorescence through state transition in the
[r]
Suhara, "Method and device for measuring surface potential distribution, method and device for measuring insulation resistance, electrostatic latent image measurement device,
T.Edura, M.Nakata, H.Takahashi, H.Onozato, J.Mizuno, K.Tsutsui, M.Haemori, K.Itaka, H.Koinuma, Y.Wada, “Single Grain and Single Grain Boundary Resistance of Pentacene Thin
Kobayashi, Different orientation of AgGaTe 2 and AgAlTe 2 layers grown on a-plane sapphire substrates by a closed space sublimation method, 41st Conference on the Physics and
[r]
“In vitro studies on the mechanistic details of adhesion and wound healing of epithelial cell sheet therapy”, JSPS A3 foresight international symposium on nano-biomaterials
Global circadian transcription rhythms without robust kai-gene cycling in the heterocyst-forming multicellular cyanobacterium, Anabaena sp.
