I n d on e s i an   Jo u r n al   o El e c t r i c al   En gi n e e r i n g   an d   C o m p u te r   S c i e n c e   V o l .   40 ,   N o .   2 N o v e m b e r   2025 ,   pp.   1 16 7 ~ 1 1 76   IS S N :   2502 - 4752 ,   D O I :   10. 1 1591 / i j e e c s . v 40 .i 2 . pp1 16 7 - 1 176             1167     Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i j e e c s . i a e s c or e . c om   FPGA - b a sed   i m p l e m e n t a t i o n   o f   a n   S - B o x   c r y p t o g r a p h i c     co - p r o c e ss o r   f o r   h i g h - p e r f o r m a n c e   a p p l i c a t i o n s       M o u l ai   K h ati r   A h m e d   N as s i m 1 , 2 ,   Z i an i   Za k a r ya 2 , 3   1 D e p a rt m e n t   o f   E l e c t ri c a l   E n g i n e e r i n g   a n d   E l e c t r o n i c s ,   F a c u l t y   o T e c h n o l o g y ,   U n i v e r s i t y   o T l e m c e n T l e m c e n ,   A l g e r i a   2 Re s e a r c h   U n i t   fo r   M a t e ri a l s   a n d   Re n e w a b l e   E n e rg i e s   ( U R M E R) ,   U n i v e r s i t y   o f   T l e m c e n ,   T l e m c e n ,   A l g e r i a   3 D e p a rt m e n t   o f   S N V ,   In s t i t u t e   o f   S c i e n c e s   o f   U n i v e r s i t y   C e n t e o f   S a l h i   A h m e d   N a a m a ,   N a a m a ,   A l g e ri a       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T   Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e F e b   13 2 024   R e v i s e J ul   11 202 5   A c c e pt e O c t   15 2 025       T he   i nc r e a s i ng   de m a nd   f o r   r e l i a b l e   c r y pt o g r a phi c   o pe r a t i o ns   f o r   s e c ur i ng   c ur r e n t   s y s t e m s   ha s   g i v e bi r t t o   w e l l - a dv a nc e a nd   de v e l o pe ha r dw a r e   s o l ut i o ns ,   i n   t h i s   pa pe r   w e   c o ns i de r   i s s u e s   w i t h i n   t he   t r a di t i o na l   s y m m e t r i c   a dv a nc e e nc r y pt i o s t a nd a r d   ( A E S )   c r y pt og r a phi c   s y s t e m   a s   m a j o r   c ha l l e ng e s .   A ddi t i o na l l y ,   p r o bl e m s   s uc a s   t hr o ug hput   l i m i t a t i o ns ,   r e l i a bi l i t y ,   a nd   un i f i e k e y   m a na g e m e nt   a r e   a l s o   di s c us s e a n t a c kl e t hr o ug a pp r o pr i a t e   h i e r a r c h i c a l   t r a ns f o r m a t i o t e c hn i qu e s .   T o   o v e r c o m e   t he s e   c ha l l e ng e s ,   t h i s   pa p e r   p r e s e n t s   t h e   d e s i g a n f i e l d   p r o g r a m m a bl e   g a t e   a r r a y   ( F P G A ) - ba s e d   i m p l e m e nt a t i o o f   a   c r y pt o g r a phi c   c o pr o c e s s o r   o pt i m i z e d   f o r   s u bs t i t u t i o bo ( S - B o x)   o pe r a t i o n   w hi c h   i s   c o ns i d e r e d   a s   a   ke y   c o m po ne nt   i n   m a ny   c r y pt o g r a phi c   a l g o r i t hm s   s uc a s   A E S .   T he   a r c hi t e c t u r e   o f   t he   c o - pr o c e s s o r   pr o po s e i n   t h i s   a r t i c l e   i s   b a s e o t h e   a dv a nc e c ha r a c t e r i s t i c s   o f   F P G A s   t o   a c c e l e r a t e   t h e   S - B o t r a ns f o r m a t i o n,   i m pr o v e   t h r o ug hput   a n r e duc e   l a t e nc y   c om pa r e t o   s o f t w a r e   i m pl e m e n t a t i o ns .   W e   d i s c us s e d   c a r e f ul l y   t he   d e s i g c o ns i d e r a t i o ns   a l o ng  w i t h   r e s o ur c e   u t i l i z a t i o n,   s p e e d   o pt i m i z a t i o n,   a nd   e ne r g y   e f f i c i e nc y .   T he   o bt a i n e e xpe r i m e nt a l   r e s u l t s   p r e s e n t   s i g ni f i c a n t   pe r f o r m a nc e   i m pr o v e m e nt s ,   t h e   F P G A - ba s e d   i m p l e m e nt a t i o e n s ur e hi g he r   t h r o ug hput   a nd  l o w e r   e x e c ut i o t i m e   c o m pa r e t o   t r a di t i o na l   C P U - ba s e d   m e t ho ds .   W e   pr e s e n t e d   i n   t h i s   w o r t he   e f f e c t i v e ne s s   o f   us i ng   F P G A s   f o r   t he   a c c e l e r a t i o o f   c r y pt og r a phi c   o pe r a t i o ns   i n   s e c u r e   a pp l i c a t i o ns   w h i c h   w i l l   t h e r e f o r e   be   a   r o bus t   s o l u t i o f o r   t h e   ne x t   g e n e r a t i o o f   s e c ur e   s y s t e m s .   Ke y w or d s :   Cr y pt o s y s t e m s   FPGA   S - Bo x   V H D L   X IL IN X   T hi s   i s   an   ope n   ac c e s s   ar t i c l e   u nde r   t he   C C   B Y - SA   l i c e ns e .     Cor r e s pon di n g   Au t h or :   M o ul a i   K ha t i r   A hm e N a s s i m   D e pa rt m e n t   o f   E l e c t ri c a l   E ngi n e e ri n g   a nd  E l e c t r o ni c s ,   F a c ul t y   o f   T e c hn o l o g y ,   U n i v e r s i t y   o f   T l e m c e n   B P   2 30    13000   C h e t o ua n e   T l e m c e n ,   A l ge ri a   E m a i l :   a hm e d n a s s i m . m o ul a i k h a t i r@ u ni v - t l e m c e n. d z       1.   I N TR O D U C TI O N   M o de r e m b e dde s y s t e m s ,   pa rt i c ul a r l y   t h o s e   us e i i nt e rn e t   o f   t hi n gs   ( Io T )   a nd   w i r e l e s s   c o m m uni c a t i o n ,   r e qui r e   hi g h   l e v e l s   of   s e c ur i t y   w h i l e   m a i nt a i n i n g   e f f i c i e n c y ,   f l e xi b i l i t y ,   a nd  a da p t a b i l i t y .   R e c o n f i gu r a b l e   p l a t f o r m s   s uc a s   f i e l p r o g ra m m a b l e   g a t e   a rra y s   (F P G A s h a v e   b e c o m e   e s s e n t i a l   i a dd r e s s i n t h e s e   r e qu i r e m e nt s   due   t o   t h e i pa ra l l e l   p r o c e s s i ng  c a pa b i l i t i e s   a n d   c us t o m i z a b l e   a r c h i t e c t u r e s .   F o r   da t a   s e c uri t y ,   e n c r y pt i o n   i s   us e t o   hi de   r e a d a b l e   i n f o r m a t i o n   ( pl a i nt e xt us i n g   a   s pe c i a l i z e a l go r i t h m   (c i ph e r ) ,   e n s u ri n g   t ha t   o nl y   a ut h o ri z e d   pa rt i e s   w i t t h e   c orr e c t   ke y   c a de c o de   i t   [ 1].   T h e   r e s ul t   o f   t h i s   pr o c e s s   i s   c i p h e r t e xt ,   a   s e c ur e   f o r m   o f   da t a .   D e c r y pt i o n   r e v e r s e s   t h e   p r o c e s s ,   c o n v e r t i n g   c i p h e rt e xt   b a c i nt pl a i n t e xt   us i ng  t h e   a p p r o pri a t e   de c r y pt i o n   a l go r i t hm   [2] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   40 ,   N o .   2 ,   N o v e m be r   20 25 1 16 7 - 1 176   1168   Ini t i a l l y   a ppl i e i de f e n s e   a n d   go v e rn m e n t a l   c o m m u ni c a t i o n s ,   e n c r y pt i o n   n o w   pl a y s   a   c ri t i c a l   r o l e   i n   c i v i l   a ppl i c a t i o n s   t o   p r o t e c t   b o t d a t a   i t ra n s i t   a n d   a t   r e s t .   Co n s e que nt l y ,   i nt e g r a t i n g   c r y pt o gr a p h i c   m e t h o ds   i n t o   s y s t e m   de s i gn  h a s   b e c o m e   e s s e n t i a l .   A m o ng  t h e   v a r i o us   e n c r y pt i o a l go r i t hm s ,   t h e   a dv a n c e d   e n c r y pt i o n   s t a n d a r d   (A E S )   i s   o n e   o f   t h e   m o s t   r e l i a b l e   a n d   w i de l y   a do pt e [3] [4 ].   E n c r y pt i o n   a l go r i t h m s   c a n   b e   c l a s s i f i e i nt o   t w o   c a t e go r i e s :   s y m m e t ri c   a nd  a s y m m e t r i c .   W h i l e   a s y m m e t r i c   s y s t e m s   of fe r   s t r o n s e c u r i t y ,   t h e y   of t e n   s uf fe r   f ro m   hi g h   c o m put a t i o n a l   c o m pl e xi t y   a nd  r e s o ur c e   c o n s um pt i o n   [ 5].   T o   m i t i g a t e   t h e s e   d ra w b a c ks ,   l i g h t w e i ght   a s y m m e t r i c   m o de l s   h a v e   b e e n   de v e l o pe t r e duc e   ha r dw a r e   r e qu i r e m e nt s   a nd   s i m pl i f y   ke y   m a n a ge m e nt   [6].   T h e   r a pi d   e xp a n s i o o f   c o nn e c t e de v i c e s   a n Io T   e c o s y s t e m s   h a s   e xpo s e s y s t e m s   t o   m o r e   v ul n e r a b i l i t i e s ,   h i g hl i g ht i n t h e   u r ge nt   n e e f o r   e f f i c i e n t   a n s e c ur e   h a rdw a r e   i m p l e m e nt a t i o n s .   A E S   r e m a i n s   a   p r e f e rr e c h o i c e   fo r   w i r e l e s s   a nd  t e l e c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m s   due   t o   i t s   s t r uc t u r e d   ke y   m a na ge m e n t ,   s t r o n g   s e c uri t y ,   a nd   c o m pa t i b i l i t y   w i t e f f i c i e n t   ha r dw a r e   a r c hi t e c t u r e s   [7] [8].     R e c e n t   s t udi e s   ha v e   f oc us e o n   o pt i m i z i ng   A E S   f o r   b e t t e p e r f o r m a n c e   a n d   r e a l - t i m e   c o m pa t i b i l i t y .   F o r   e xa m p l e ,   [9]   p r o po s e a r c h i t e c t u ra l   m o di f i c a t i o n s   t o   i m p r o v e   t hr o ughput ,   w h i l e   [10 ] ,   [1 1 f o c us e o n   a r e a   a nd  r e s o ur c e   e ff i c i e n c y   i n   F P G A - b a s e i m pl e m e n t a t i o ns .   A   ke y   c o m put a t i o na l   c ha l l e n ge   i A E S   i s   t h e   s ub s t i t ut i o n   b o (S - Bo x),   r e s po n s i b l e   fo r   i nt r o duc i n g   c o n f us i o n   du r i ng  e n c r y pt i o n .   W hi l e   c r uc i a l   f o r   s e c ur i t y ,   t h e   S - B o i s   a l s o   c o m put a t i o na l l y   i n t e n s i v e   a n c a c r e a t e   l a t e n c y   bo t t l e n e c ks .   T o   a dd r e s s   t hi s ,   F P G A - b a s e c r y pt o gr a p h i c   c o - pr o c e s s o r s   h a v e   e m e r ge d   a s   a   p r o m i s i n g   s o l ut i o n .   By   off l o a di n g   i nt e n s i v e   t a s ks   s uc h   a s     S - Bo c o m put a t i o n s ,   t h e s e   c o - pr o c e s s o r s   e xpl o i t   ha r dw a r e   pa ra l l e l i s m   t o   pe r f o r m   m ul t i p l e   o pe ra t i o n s   s i m ul t a n e o us l y   [12],   [1 3 ].   In  t hi s   p a pe r ,   w e   pr o po s e   a   c r y pt o gr a p hi c   c o - pr o c e s s o r   i m p l e m e nt e o a   S P A R T A N   F P G A ,   o pt i m i z e f o r   r e a l - t i m e   A E S   e n c r y pt i o n .   T h e   de s i g n   l e v e r a g e s   pi pe l i ni n g   a nd  p a ra l l e l i s m   t o   a c c e l e r a t e   S - B o x   c o m pu t a t i o n s ,   r e duc e   l a t e n c y ,   a n d   e nha n c e   o v e r a l l   t hr o ug h p ut .   It   a l s o   s uppo r t s   s c a l a b i l i t y   a n d   a d a pt a t i o f o r   f ut ur e   c r y pt o gr a p hi c   n e e ds .   T h e   r e s t   o f   t h e   pa pe i s   s t ruc t u r e d   a s   f o l l ow s :   se c t i o 2   p r e s e n t s   r e l a t e d   w o r k;   s e c t i o n   3   de t a i l s   t h e   p r o po s e a r c hi t e c t u r e   a n d   m e t h o dol o g y ;   s e c t i o n   4   di s c us s e s   i m pl e m e n t a t i o a n d   pe r f o r m a n c e   e v a l ua t i o n ;   a n d   s e c t i o c o n c l ude s   t h e   p a pe r   a n d   o ut l i n e s   po t e n t i a l   f ut u r e   w o r k .       2.   B A C K G R O U N D   A N D   R ELA TED   W O R K   T h e   n e e fo r   s e c ur e   a n d   e ff i c i e n t   e m b e dde s y s t e m s   ha s   d r i v e t h e   us e   o f   c r y pt o gr a p h i c   c o pr o c e s s o r s ,   w h i c h   o ff l o a t a s ks   l i ke   e n c r y pt i o n ,   de c r y pt i on,   a nd  ke y   m a na ge m e n t   f r o m   t h e   m a i n   p r o c e s s o r ,   e nh a n c i ng  pe r f o r m a n c e   i r e a l - t i m e   e n v i r o nm e n t s .   A   ke y   c o m po n e n t   i a l go r i t hm s   l i ke   A E S   i s   t h e   S - B o x,   w h i c i nt r o duc e s   n o n - l i n e a r i t y .   H ow e ve r ,   i t s   c o m put a t i o na l   c o m pl e xi t y   of t e n   m a ke s   i t   a   pe r f o rm a n c e   bo t t l e n e c k,   pa rt i c ul a r l y   i n   s o f t w a r e   i m pl e m e n t a t i o n s   [14 ].   T o   a dd r e s s   t h i s   i s s ue ,   s e ve r a l   s t udi e s   ha v e   fo c us e o n   ha r dw a r e - b a s e S - Bo i m p l e m e n t a t i o n s   us i n g   F P G A s .   T e c hn i que s   s uc h   a s   pi pe l i n i ng,   pa ra l l e l   p r o c e s s i n g,   l o o kup  t a b l e s   (L U T s ),   a n dy n a m i c   r e c o n f i gu r a t i o ha v e   b e e n   e m p l oy e t o   o pt i m i z e   s pe e d,   r e duc e   a r e a ,   a n d   e nha n c e   f l e xi b i l i t y   [1 5 ].   T h e s e   a pp r o a c h e s   s i g n i f i c a nt l y   r e duc e   l a t e n c y   a n d   i m p r o v e   s e c ur i t y   by   e x e c ut i n g   t ra n s f o r m a t i o n s   i a   c o n s t a n t   t i m e ,   t h us   a l s o   m i t i ga t i n g   t i m i n g   a t t a c ks .   F P G A s   a r e   i de a l   pl a t f o r m s   f o r   i m p l e m e nt i ng  c r y pt o gr a p h i c   a c c e l e r a t o r s   due   t o   t h e i pa ra l l e l i s m ,   r e c o n f i gu r a b i l i t y ,   a n d   e f f i c i e n c y   [16] .   P r i o r   w o r k   i n c l u de s   t h e   de v e l o pm e n t   o f   A E S   a c c e l e r a t o r s   o pt i m i z e fo r   t hr o ug h pu t   a nd   a r e a ,   w i t s o m e   i m p l e m e nt a t i o n s   a l s o   s u ppo r t i ng   i n v e r s e   t ra n s f o r m a t i o n s   f o de c r y pt i o n .   D e s pi t e   t h e s e   e f fo r t s ,   m a n y   de s i gn s   s t i l l   s t r u ggl e   t o   b a l a n c e   r e s o ur c e   us a ge ,   s pe e d,   a nd  s c a l a b i l i t y .   M o r e o ve r ,   f e w   a r c hi t e c t u r e s   o ff e r   u n i f i e d   s uppo rt   f o r   b o t h   e n c r y pt i o n   a nd  de c r y pt i o n   us i n s ha r e ha r dw a r e   r e s o ur c e s .   M o t i v a t i o f o r   t hi s   w o r k .   T h i s   w o r p r o po s e s   a F P G A - b a s e A E S   c r y pt o gr a p hi c   c o pr o c e s s o r   t ha t   pe r f o r m s   b o t e n c r y pt i o n   a n d   de c r y pt i o n ,   o pt i m i z e s   t h e   S - Bo a n d   I n v - S - B o us i n g   p r e c o m put e L U T s ,   ut i l i z e s   a   dy n a m i c   c o nt r o l   m e c h a ni s m   f o r   m o de   s w i t c h i n g ,   a n d   e f f i c i e n t l y   l e v e r a ge s   S pa r t a n - 6   F P G A   r e s o ur c e s .   T h e   n e xt   s e c t i o n   p r e s e nt s   t h e   de t a i l e d   m e t h o do l o gy   of   t h e   de s i g a n d   i m pl e m e n t a t i o p r o c e s s   [17] .       3.   M ET H O D   T h i s   s e c t i o n   p r e s e n t s   t h e   m e t h o do l o gi c a l   f ra m e w o r us e t o   de s i gn,   i m pl e m e n t ,   a n d   e v a l u a t e   t h e   pr o po s e F P G A - b a s e c r y pt o gr a p hi c   c o pr o c e s s o r .   I t   i n c l ude s   a   de s c r i p t i o o f   t h e   s y s t e m   a r c h i t e c t u r e ,   ha r dw a r e   t o o l s   a n d   pl a t f o r m s ,   e xpe r i m e nt a l   s e t up ,   a n d   f un c t i o n a l   v a l i da t i o t hr o ug s i m ul a t i o n.     3. 1 .     S ys te m   o v e r v i e w   T h e   p r o po s e c r y pt o gr a p hi c   c o pr o c e s s o r   i s   de s i g n e t o   a c c e l e r a t e   A E S   e n c r y pt i o n   a n d   de c r y pt i o o pe r a t i o n s   b y   o pt i m i z i n g   t h e   e xe c ut i o o f   t h e   S - B o x,   a   c o r e   n o n - l i n e a t ra n s f o r m a t i o w i t hi A E S .   T h e   c o pr o c e s s o r   a i m s   t o   a dd r e s s   pe r f o r m a n c e   b o t t l e n e c ks   fo u n d   i s o f t w a r e   i m pl e m e n t a t i o n s   b y   l e v e r a gi n g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       F P G A - bas e i m pl e m e n t at i on  of   an   S - B ox   c r y pt ogr a phi c   c o - p r oc e s s or   f or     ( Moul ai   Kh at i r   A hm e d   Nas s i m )   1169   ha r dw a r e   pa ra l l e l i s m   a n d   p i pe l i ni n g   t e c hni que s   o a F P G A   pl a t f o r m   [18 ] .   T h e   s y s t e m   t a r ge t s   h i g h - s pe e d   s e c ur e   a ppl i c a t i o n s   i e m b e dde a n Io T   s y s t e m s ,   w h e r e   l o w   l a t e n c y   a n d   r e s o ur c e   e ff i c i e n c y   a r e   c r uc i a l .   I t   s uppo r t s   b o t e n c r y pt i o n   a nd  de c r y pt i o n   p r o c e s s e s   a n i s   s c a l a b l e   f o r   i nt e g r a t i o i nt o   m o r e   c o m pl e s e c uri t y   a r c hi t e c t u r e s .     3. 2 .     A r c h i t e c tu r e   d e s c r i p t i o n   T h e   F i g u re   1   i l l us t ra t e s   t he   o v e ra l l   a r c hi t e c t u r e   o f   t he   p ro po s e d   c r y pt o g ra p hi c   c o p ro c e s s o a nd   i t s   m a i l o g i c   c o m po n e nt s .   T he   a r c hi t e c t u r e   i s   de s i g ne d   i a   m o du l a m a n ne t o   f a c i l i t a t e   ha rdw a r e   i nt e g ra t i o a nd   pe r f o rm a n c e   o p t i m i z a t i o n.   F i gu re   1 ( a )   s h o w s   t he   i nt e rna l   o r g a ni z a t i o o f   t he   c r y p t o g ra p hi c   c o p r o c e s s o r,   i n c l ud i ng   t he   i np u t   r e gi s t e a nd   t he   1 6 × 1 6   r e g i s t e f i l e ,   w hi l e   F i gu re   1 (b )   de pi c t s   t he   c o m b i na t i o na l   l o g i c   b l o c k ,   c o n s i s t i ng   o f   t he   a ri t hm e t i c   a nd   l o gi c   u ni t   (A L U ) ,   t he   s hi f t e r,   t h e   c o nt ro l   l o gi c ,   a nd   t he   n o nl i ne a s ub s t i t u t i o u ni t :   a)   In p ut   r e gi s t e r t h e   i nput   r e gi s t e r   pl a y s   a   v i t a l   r o l e   i n   r e c e i v i n da t a   a nd  c o nt r o l   s i g na l s   f r o m   e xt e rna l   s o ur c e s .   It   a c t s   a s   a   t e m po ra r y   s t o r a ge   u n i t   b e fo r e   pr o c e s s i n g   b e gi n s ,   e n s u r i n g   p r o pe da t a   a l i g nm e n t .   T h i s   m o dul e   i s   s y n c hr o n i z e w i t h   t h e   c l o c s i g n a l   t o   m a na ge   t h e   t i m i n o f   o pe r a t i o n s   a n i s   r e s e t   a s   n e c e s s a r y   t o   m a i nt a i s y s t e m   s t a b i l i t y   a n a v o i e rr o n e o us   d a t a   p r o pa g a t i o n.   b)   16× 16   r e gi s t e r   f i l e :   t h e   16× 16  r e gi s t e f i l e   s e r v e s   a s   t h e   p ri m a r y   m e m o r y   s t o r a ge   f o r   c r y pt o gr a p hi c   o pe r a t i o n s .   I t   p r o v i de s   a   s t r uc t u r e r e g i s t e m a t ri t h a t   f a c i l i t a t e s   e f f i c i e n t   d a t a   m a ni pu l a t i o n.   R a ,   R b ,   a n R a dd r e s s   e nt r i e s   a l l o w   s e l e c t i v e   a c c e s s   t o   s pe c i f i c   r e gi s t e r s ,   e n s u r i ng  f l e xi b i l i t y   i n   d a t a   r e t ri e v a l   a n d   s t o ra ge .   T h i s   m o dul e   i n t e r a c t s   w i t b o t t h e   i n pu t   r e gi s t e a n d   t h e   c o m b i n a t i o na l   l o gi c   b l o c k,   e n a b l i ng  t r a n s p a r e n t   da t a   f l ow   a n d   o pt i m i z e e xe c ut i o n .   c)   Co m b i n a t i o na l   l o gi c   b l o c k th e   c o m b i n a t o r i a l   l o gi c   b l oc i s   r e s po n s i b l e   fo r   e xe c ut i ng  t h e   m a i c r y pt o gr a p h i c   t r a n s f o r m a t i o n s ,   i nt e g r a t i n g   m u l t i pl e   p r o c e s s i n u ni t s   t o   e n s u r e   e f f i c i e n t   da t a   m a ni p ul a t i o n.   A s   s h o w n   i t h e   F i gu r e   1 (b ),   t h i s   b l o c i n c l ude s   a   n o n l i n e a s e a r c o pe r a t i o u n i t ,   a A L U ,   a n d   a   S hi f t e r ,   a l l   o f   w h i c h   c o nt r i b ut e   t o   di f f e r e n t   a s pe c t s   o f   c r y pt o gr a p hi c   p r o c e s s i n a s   f o l l ow s :     N o n l i n e a l o o kup  o pe r a t i o n   u ni t   i s   p r i m a ri l y   us e f o r   s ub s t i t ut i o n   f u n c t i o n s ,   s uc h   a s   S - B o t r a n s f o r m a t i o n s   i n   A E S ,   e n s u ri n g   n o nl i n e a ri t y   a n d   r e s i s t a n c e   t o   c r y pt a n a l y t i c   a t t a c ks .     A L U   pe r f o r m s   e s s e n t i a l   a r i t hm e t i c   a n d   l o gi c   o pe r a t i o n s ,   i nc l udi n g   m o dul a r   a ri t hm e t i c   c r uc i a l   f o e n c r y pt i o n   a l go r i t h m s .     S h i f t e r   f a c i l i t a t e s   b i t w i s e   t r a n s f o r m a t i o n s ,   i m p r o v i ng   da t a   d e l i v e r y   a n d   s t r e n g t h e n i n g   c r y pt o gr a p h i c   s e c ur i t y .     T h e   f i n a l   o ut pu t   o f   t h e s e   uni t s   i s   s e l e c t e v i a   a   m u l t i pl e xe r     M U X   t o   de t e r m i n e   t h e   p r o c e s s e r e s ul t   b a s e o c o n t r o l   s i gna l s .   T h i s   s t r uc t u r e d   de s i g o pt i m i z e s   s pe e a n d   e ff i c i e n c y ,   e n s u ri n g   t ha t   t h e   c o m b i n a t i o n a l   l o gi c   b l o c m e e t s   t h e   h i g h - pe r f o r m a n c e   r e qui r e m e nt s   o f   c r y pt o gr a p h i c   o pe ra t i o n s .   T h e   a r c hi t e c t u r e   i s   de s i g n e t o   s uppo r t   p a r a l l e l   e xe c ut i o n   o S - B o o pe r a t i o n s   a nd  i n c l ude s   dy n a m i c   c o n t r o l   l o gi c   t o   t o ggl e   b e t w e e n   e n c r y pt i o n   a n d   de c r y pt i o n   m o de s .           (a )   (b )     F i gu r e   1 .   O v e r a l l   a r c hi t e c t u r e   o f   t h e   p r o po s e c r y pt o gr a p h i c   c o pr o c e s s o r   a n d   i t s   c o r e   l o gi c   c o m po n e n t s     (a a r c h i t e c t ur e   o f   t h e   c r y pt o gr a p hi c   c o pr o c e s s o r   a nd  (b a r c hi t e c t u r e   o f   t h e   c o m b i na t i o na l   l o gi c   b l o c k       3. 3 .     F P G A   p l at fo r m   an d   to o l s   T h e   de s i g n   a n i m p l e m e n t a t i o n   o f   a   c r y pt o gr a p hi c   c o pr o c e s s o r   n e e ds   a   s t r uc t u r e a p p r o a c h   e n s u ri n g   e ff i c i e n c y   a n h a rdw a r e   o pt i m i z a t i o n.   H a rdw a r e   de s c r i p t i o n   l a ngua ge s   (H D L s u c h   a s   V H S IC  ha r dw a r e   de s c r i pt i o l a n gu a ge   (V H D L a nd  V e r i l o a r e   n e w   e s s e n t i a l   t o o l s   f o r   t h e   m o de l i ng  a n d   s y n t h e s i s   o f   c urr e n t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   40 ,   N o .   2 ,   N o v e m be r   20 25 1 16 7 - 1 176   1170   di gi t a l   c i r c u i t s ,   a l l o w i n v e r y   p r e c i s e   c o n t r o l   o f   ha r dw a r e   f un c t i o na l i t i e s .   I t h e   c o nt e xt   o f   c r y pt o gr a p hi c   c o pr o c e s s o r s ,   V H D L   f a c i l i t a t e s   t h e   de v e l o pm e n t   o f   ke y   f un c t i o na l   u ni t s   s uc a s   a r i t hm e t i c   l o gi c   u ni t s   (A L U s ),   n o n l i n e a r   l o o kup  t a b l e s   (S - Bo xe s ),   S h i f t e r s ,   a n d   c o n t r o l   l o gi c   b l oc ks .   By   l e ve r a g i n H D L - b a s e d   de s i gn  m e t h o do l o gi e s ,   e n g i n e e r s   c a e f fe c t i ve l y   i m pl e m e nt   pa r a l l e l i s m ,   pi pe l i n e ,   a nd   r e s o ur c e   o pt i m i z a t i o n   t e c hn i q ue s   t o   i m p r o v e   c r y pt o gr a p hi c   pe r f o r m a n c e .   T h e s e   l a n gu a ge s   o ff e r   e n g i n e e r s   t h e   s i m ul a t i o a nd  i m p l e m e nt a t i o n   o f   c o m pl e di g i t a l   s y s t e m s   [18].   F i gu r e   s h o w s   t h e   M i m a s   V F P G A   de v e l o pm e n t   b o a r d   (S pa r t a n - X C6S L X 9),   w hi c h a s   b e e n   us e a s   t h e   i m pl e m e n t a t i o n   p l a t f o r m   f o r   t h e   p r o po s e c r y pt o gr a p hi c   c o pr o c e s s o r .   It   i n t e g r a t e s   a   V G A   c o nn e c t o r,   U S B   i nt e r f a c e ,   J T A G   h e a de r,   7 - s e gm e n t   d i s pl a y ,   G P IO   e xpa n s i o n   c o nn e c t o r s ,   pus h   b ut t o n s ,   D IP   s w i t c h e s ,   L E D s ,   m i c r o - S D   c a r s l o t ,   a udi o   j a c k,   a nd  512   M L P D D R   m e m o r y ,   p r o v i di n g   a   v e r s a t i l e   e n v i r o nm e n t   f o r   h a rd w a r e   p r o t o t y pi n g   [19] .           F i gu r e   2 .   M i m a s   V 2   S pa rt a n - F P G A   de v e l o pm e n t   b o a r d   [1 9]       F o r   t h e   i m pl e m e n t a t i o n,   T h e   M i m a s   V S p a r t a n - F P G A   w a s   c h o s e n   f o r   i t s   b a l a n c e   of   pe r f o r m a n c e ,   f l e xi b i l i t y ,   a n d   c o s t ,   m a ki ng   i t   i de a l   f o r   c r y pt o gr a p h i c   a pp l i c a t i o n s .   It s   r i c l o gi c   r e s o ur c e s ,   D S P   b l o c ks ,   a n r e c o n f i gu r a b i l i t y   s uppo r t   r e a l - t i m e   e n c r y pt i o n.   U s i n g   H D L - b a s e de s i gn   a n d   X i l i n x   IS E   D e s i g n   S u i t e ,   a   c r y pt o gr a p h i c   c o pr o c e s s o r   w a s   i m p l e m e n t e w i t h   o pt i m i z e p e r f o r m a n c e   a n d   h a rdw a r e   u t i l i z a t i o n.   X i l i nx  IS E   f a c i l i t a t e c o di n g ,   de b uggi ng,   s i m u l a t i o n ,   a n d   r e s o ur c e - e ff i c i e n t   s y n t h e s i s ,   e n s u r i ng  a   s e c ur e   a n e ff i c i e n t   c o pr o c e s s o r   s ui t a b l e   f o r   h i g h - s e c ur i t y   e m b e dde s y s t e m s   [20] [21] .       3. 4 .     Ex p e r i m e n ta l   s e tu p   an d   p e r fo r m an c e   e v al u ati o n   T h e   V H D L   p r o gra m   i m p l e m e n t i ng   t h e   c o m b i n a t o r i a l   l o gi c   u ni t   o f   o ur  c o pr o c e s s o r   i s   r e s po n s i b l e   f o r   e xe c ut i n g   t h e   e s s e nt i a l   c r y pt o gr a p h i c   o pe r a t i o n s .   It   i n t e g ra t e s   a A L U ,   a   s hi f t e r   a nd  a   n o n l i n e a r   s e a r c h   u ni t ,   w i t a   c o n t r o l   l o gi c   m e c ha n i s m   t h a t   dy n a m i c a l l y   s e l e c t s   t h e   a pp r o pri a t e   c a l c ul a t i o n.   T h e   e nt i t y   i n c l ude s :     A _BU S   (16 - b i t   i nput ) :   T h e   f i r s t   da t a   i nput   b us .     B _BU S   (16 - b i t   i n put ):   T h e   s e c o n da t a   i n pu t   b us .     CT R L   (4 - b i t   i n pu t ):   T h e   c o nt r o l   s i g na l   t h a t   s e l e c t s   t h e   o pe ra t i o n .     R E S U L T   (16 - b i t   o ut p ut ):   T h e   c o m put e r e s ul t   b a s e o s e l e c t e o pe r a t i o n s .   T h i s   e n t i t y   a c t s   a s   a   c e n t ra l   p r o c e s s i n u n i t   w i t h i t h e   c r y pt ogra p hi c   c o pr o c e s s o r .   T h e   b e h a v i o r a l   a r c h i t e c t u r e   c o n s i s t s   a s   de s c r i b e i F i gu r e   o f   t hr e e   m a i e l e m e nt s :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       F P G A - bas e i m pl e m e n t at i on  of   an   S - B ox   c r y pt ogr a phi c   c o - p r oc e s s or   f or     ( Moul ai   Kh at i r   A hm e d   Nas s i m )   1171       F i gu r e   3 .   X i l i nx  b l o c di a g r a m   o f   t h e   c o m b i na t i o n a l   l o gi c   u ni t       a)   A r i t hm e t i c   l o gi c   u n i t   T h e   p r o g r a m   i m p l e m e n t s   a   16 - b i t   A L U   c a pa b l e   of   pe r f o r m i n g   f unda m e nt a l   a r i t hm e t i c   a n l o gi c   o pe r a t i o n s .   T h e   de s i g n   i n c l ude s   a a dde r ,   b i t - l e v e l   l o gi c   o pe r a t i o n s   a n da t a   m a n i p ul a t i o n   f u n c t i o n s ,   c o n t r o l l e d   b y   a   4 - b i t   A L U c t r l   s i g na l .   It   i n t e g ra t e s   a dd i t i o n,   s ub t r a c t i o n,   b i t w i s e   o p e r a t i o n s   (A N D ,   O R ,   X O R ,   N O T ),   a n d   d a t a   t ra n s f e r   f u n c t i o na l i t i e s .   T h e   A L U   s uppo r t s   a ddi t i o n   us i ng  a n   N - b i t   a d de m o dul e ,   a s   w e l l   a s   s ub t r a c t i o n ,   w h i c h   i s   i m pl e m e nt e us i n t w o ’s   c o m pl e m e nt   r e p r e s e n t a t i o n   by   i n v e r t i n B B U S   a n a ddi ng  on e .   It   a l s o   pe r f o r m s   b i t w i s e   l o gi c a l   o pe r a t i o n s ,   i n c l u di n g   A N D ,   O R ,   X O R ,   a n N O T ,   w hi c a r e   e s s e n t i a l   f o r   v a r i o us   c o m put a t i o n a l   t a s ks .   A d di t i o na l l y ,   t h e   A L U   c a e xe c ut e   a   m o v e   o p e r a t i o n ,   w h e r e   i t   s i m pl y   t r a n s f e r s   t h e   v a l ue   o f   A B U S   t o   t h e   o ut pu t   w i t h o ut   m o di f i c a t i o [22 ] .   T h e   c o nt r o l   l o gi c   i s   i m pl e m e n t e d   us i ng  a   c a s e   s t a t e m e n t ,   w hi c e v a l ua t e s   A L U c t r l   a nd  s e l e c t s   t h e   c o r r e s p o n di n o pe ra t i o n   t o   b e   pe r fo r m e o n   t h e   i n pu t   da t a .   T h e   r e s ul t   o f   t h e   c h o s e n   o pe ra t i o n   i s   t h e n   a s s i g n e d   t o   t h e   16 - b i t   o ut pu t   b us   (A L U O U T ) ,   m a ki ng  t h e   A L U   a   c r i t i c a l   c o m po n e nt   f o r   di g i t a l   p r o c e s s i n a n F P G A - b a s e a pp l i c a t i o n s .   b)   S h i f t e r   T h i s   p r o gra m   de f i n e s   a   s h i f t e r   m o dul e   t ha t   p r o c e s s e s   a   16 - b i t   i n pu t   v e c t o r   b a s e o n   a   4 - b i t   c o n t r o l   s i g n a l .   T h e   e nt i t y   s h i f t e r   a s   i t ’s   s h o w n   i n   F i g u r e   4   h a s   a n   i n put   S H IF T IN P U T ,   a   c o n t r o l   s i g na l   S H IF T _Ct r l a n a o ut put   S H IF T O U T .   T h e   a r c h i t e c t u r e   us e s   a   p r o c e s s   b l o c k   t o   c h e c S H IF T _Ct rl   a n d   a p pl y   di f fe r e n t   s h i f t   o pe r a t i o n s :   -   " 1000"   pe r f o r m s   a n   8 - b i t   ri g ht   r o t a t i o n   (R O R 8).   -   " 1001"   pe r f o r m s   a   4 - b i t   ri g h t   r o t a t i o (R O R 4).   -   " 1010"   pe r f o r m s   a n   8 - b i t   l e f t   s hi f t   (S L L 8),   f i l l i ng  w i t z e r o s .   -    O t h e c a s e s   s e t   t h e   o ut put   t o   z e r o           F i gu r e   4 .   X i l i nx  i n t e rna l   b l o c di a g ra m   o f   t h e   s hi f t e r   u n i t     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   40 ,   N o .   2 ,   N o v e m be r   20 25 1 16 7 - 1 176   1172   c)   N o n _l i n e a r_l o o kup   T h i s   V H D L   p r o gra m   i m pl e m e nt s   a   s ub s t i t u t i o n   o pe ra t i o n   us i n g   a   l o o kup  t a b l e .   I t   t a ke s   a n   8 - b i t   i n put   a n m a ps   i t   t o   a n   8 - b i t   o ut pu t   us i n a   p r e de f i n e s e t   o f   256  v a l ue s   s t o r e i a a rra y .   T h e   m a p pi n g   f o l l ow s   a   n o n - l i n e a r   t r a n s f o r m a t i o n,   c o m m o nl y   us e i c r y pt o gr a p hi c   a pp l i c a t i o n s   t o   i nt r o duc e   s e c ur i t y .   T h e   i nput   i s   c o n v e r t e i n t o   a i nt e ge r   i n de x,   w h i c h   r e t ri e v e s   t h e   c o r r e s p o n di n g   v a l ue   f r o m   t h e   l o o kup  t a b l e .   T h e   p r o c e s s   o pe r a t e s   a s y n c hr o n o us l y ,   m e a n i ng  t h e   o ut put   upd a t e s   a s   s o o a s   t h e   i nput   c ha n ge s ,   w i t h o ut   r e qui r i ng  a   c l o c k   s i g n a l .   T h e   25 v a l ue s   i t h e   S - B o s h o w n   o F i g u r e   5   a r e   ge n e ra t e d   us i ng  a   m a t h e m a t i c a l   t r a n s f o r m a t i o n   t h a t   e n s u r e s   n o n - l i n e a ri t y ,   di f f us i o n ,   a n d   r e s i s t a n c e   t o   c r y pt a na l y s i s .             F i gu r e   5 .   S - B o l o o kup  t a b l e   r e p r e s e n t a t i o n       T h e   p r o c e s s   t y pi c a l l y   f o l l ow s   t h e s e   s t e ps :     M ul t i pl i c a t i v e   i n v e r s i o n   i n   G F (2 )   E a c h   by t e   i t h e   ra n ge   0   t o   255   i s   c o n s i de r e a n   e l e m e n t   o f   t h e   f i n i t e   f i e l G F (2⁸ ) .   T h e   c o rr e s po n di ng  S - B o x   v a l ue   i s   de t e rm i n e by   c o m put i n i t s   m ul t i p l i c a t i v e   i n v e r s e   w i t h i t hi s   f i e l d,   w i t h   t h e   e xc e pt i o n   o f   0,   w h i c h   r e m a i n s   u n c h a nge d.   T hi s   t r a n s f o r m a t i o gu a r a nt e e s   t h a t   e a c v a l ue   i s   u ni que ,   e n s u ri n g   a   s t r o n g   c r y pt o gr a p h i c   m a ppi n g .   -   A ff i n e   t ra n s f o r m a t i o n   A f t e r   f i ndi n g   t h e   m u l t i pl i c a t i v e   i n v e r s e ,   a a f f i n e   t r a n s f o r m a t i o n   i s   a ppl i e d:     ( )   =   .   +       W h e r e :   x   i s   t h e   8 - b i t   r e s ul t   f r o m   t h e   p r e v i o us   s t e p,   A   i s   a   f i xe i n v e r t i b l e   m a t ri x   o ve r   G F (2)   a nd  i s   a   c o n s t a n t   v e c t o r .   W h e a n   8 - b i t   i nput   i s   p r o v i de d,   t h e   p r o gra m   us e s   i t   a s   a n   i n de t o   a c c e s s   t h e   S - B o x,   w h i c h   c o n t a i n s   256   p r e c o m put e v a l ue s .   T h e   i n pu t   b y t e   i s   r e pl a c e w i t t h e   c o rr e s po n d i n v a l ue   f r o m   t h e   t a b l e .     F o r   e xa m pl e ,   i f   t h e   i n pu t   i s   0 x53 ,   l o o ki n g   up   t h e   S - B o t a b l e   r e t u rns   0 xE D ,   w h i c h   b e c o m e s   t h e   n e w   o ut put   v a l ue .   S i m i l a r l y ,   i f   t h e   i nput   i s   0 x7A ,   t h e   p r o g r a m   w i l l   r e t u rn  0x3F   a s   t h e   o ut p ut .   Th e   m u l t i pl i c a t i v e   i n v e r s i o e n s u r e s   t h e   n o n - l i n e a r i t y   of   t h e   t ra n s f o r m a t i o n .   I n   A E S ,   e a c b y t e   i s   t r e a t e a s   a e l e m e nt   o f   t h e   f i n i t e   f i e l G F (2⁸ ),   a n i t s   i n v e r s e   i s   de t e rm i n e b a s e o n   t he   r ul e s   o f   t h i s   f i e l d.   F o r   e xa m pl e ,   i f   t h e   i n pu t   i s   0xB 4,   i t s   i n v e r s e   i G F (2⁸ )   i s   0x2D .   H ow e ve r ,   t o   a v o i c o m pl e x   c a l c ul a t i o n s   i r e a l   t i m e ,   t h e s e   v a l ue s   a r e   pr e c o m put e a n d   s t o r e i n   t h e   l o o kup  t a b l e   [23] .   O n c e   t h e   i n v e r s i o i s   pe r f o r m e d ,   t h e   a f f i n e   t ra n s f o r m a t i o i s   a ppl i e d.   T h i s   i n v o l ve s   m a t r i x   m ul t i p l i c a t i o n   f o l l o w e by   a n   X O R   w i t h   a   c o n s t a n t   (0x63 ).   F o r   e xa m pl e ,   i f   t h e   i n v e r s i o n   s t e p r o duc e s   0x2D ,   a pp l y i n t h e   a f f i n e   t ra n s f o r m a t i o n   t o   t hi s   v a l ue   r e s ul t s   i n   0 x95.   T hi s   s e c o n s t e a dds   e v e n   m o r e   n o n - l i n e a ri t y   a nd  e n s u r e s   t ha t   e v e n   a   m i ni m a l   c ha n ge   i t h e   i n pu t   p r o duc e s   a   c o m pl e t e l y   di ff e r e n t   o ut put .   T h e   V H D L   pr o g r a m   e xe c ut e s   t h i s   t ra n s f o r m a t i o n   i n s t a n t l y   by   s t o r i n g   t h e   r e s ul t s   i n   a   L U T .   W h e a F P G A   r u n s   t hi s   c o de ,   i t   d i r e c t l y   a c c e s s e s   t h e   t a b l e   i n   a   s i n gl e   o pe r a t i o w i t h o ut   pe r f o r m i ng  a n y   c o m pl e r e a l - t i m e   c a l c ul a t i o n s .   T h i s   s i g ni f i c a n t l y   o pt i m i z e s   e xe c ut i o s pe e d,   m a k i n g   t h e   i m pl e m e nt a t i o e f f i c i e n t   f o r   r e a l - t i m e   c r y pt o gr a p hi c   a p pl i c a t i o n s .   U s i n g   a L U T   a l s o   e nha n c e s   s e c ur i t y   a ga i n s t   c e rt a i a t t a c ks .   F o e xa m pl e ,   i a   s t a n d a r d   s o f t w a r e   i m p l e m e nt a t i o n ,   t h e   t i m e   r e qu i r e d   t o   c o m put e   t h e   i n v e r s e   i G F (2⁸ m a y   v a r y   de pe n di ng  o t h e   i nput   v a l ue ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       F P G A - bas e i m pl e m e n t at i on  of   an   S - B ox   c r y pt ogr a phi c   c o - p r oc e s s or   f or     ( Moul ai   Kh at i r   A hm e d   Nas s i m )   1173   w hi c c o ul d   b e   e x p l o i t e d   b y   a   t i m i ng   a t t a c k .   H e r e ,   s i nc e   t a b l e   a c c e s s   o c c u rs   i c o ns t a nt   t i m e ,   t hi s   ri s k   i s   e l i m i na t e d .   T hi s   de s i g i s   w i de l y   us e d   i c r y p t o g ra p hi c   c o p r o c e s s o rs   t o   e ns u re   f a s t   a nd   e f f i c i e nt   e nc r y pt i o n.   O n   a F P G A ,   i t   a l l o w s   p a ra l l e l   e xe c ut i o o f   o pe ra t i o ns ,   a c c e l e ra t i ng   t h e   p r o c e s s i ng   o f   d a t a   b l o c k s .   F o e x a m pl e ,   a   f ul l   A E S   e n c r y p t i o p r o c e s s   re q u i r e s   m u l t i p l e   S - B o x   t ra ns f o rm a t i o n s   pe 1 28 - b i t   b l o c k ,   a nd   w i t a L U T ,   t h e s e   t ra ns f o rm a t i o ns   c a b e   pe r f o rm e d   s i m ul t a ne o us l y   a c r o s s   m ul t i pl e   p r o c e s s i ng   u ni t s   w i t hi t he   F P G A   [2 4] .       4.   R ES U LTS   A N D   D I S C U S S I O N   T o   v a l i d a t e   t h e   f un c t i o na l i t y   a n d   pe r f o r m a n c e   o f   t h e   c r y pt o gr a p hi c   c o pr o c e s s o r ,   a   t e s t b e n c s i m ul a t i o w a s   c o n duc t e d.   T h e   w a v e f o r m   i F i gu r e   6   r e pr e s e nt s   t h e   s i m ul a t i o n   r e s ul t s ,   s h o w c a s i n g   t h e   b e h a v i o r   o f   ke y   c o n t r o l   a nd  d a t a   s i g n a l s   o v e r   t i m e .   T h e   s i g na l s   i n c l u de :     Cl o c (c l o c k):   A   pe ri o di c   s i g na l   t ha t   s y n c hr o ni z e s   o pe r a t i o n s .     R e s e t   (r e s e t ):   I n i t i a l i z e s   t h e   s y s t e m .     Co n t r o l   S i g n a l   (c t r l [3 : 0]) :   D e f i n e s   t h e   o pe r a t i o n   m o de .     R e gi s t e r   A dd r e s s e s   (ra [3 : 0],   r b [3: 0] ,   r d[3 : 0]):   S e l e c t   r e gi s t e r s   f o r   p r o c e s s i n g.           F i gu r e   6 .   T e s t b e n c w a v e fo r m   s i m u l a t i o o f   t h e   c r y pt o gr a p hi c   co - pr o c e s s o r       T h e   s i m ul a t i o w a s   r u w i t a   c l o c pe r i o d   o f   20, 000   ps   (2 n s ) ,   a l i g n i ng  w i t t y pi c a l   F P G A   c l o c k   f r e que n c i e s .   T h e   t i m i n g   di a g ra m   i l l us t ra t e s   h o w   c o n t r o l   a n da t a   s i g na l s   e v o l ve   ove r   t i m e ,   c o n f i rm i n g   c o rr e c t   da t a   f l ow   a n d   s y n c hr o n i z a t i o n.   F o r   i n s t a n c e ,   a t   275 . 833  n s ,   t h e   v a l ue s   of   r a ,   r b ,   a nd  r i n d i c a t e   s uc c e s s f ul   r e a d / w r i t e   o pe r a t i o n s ,   de m o n s t ra t i ng  c o rr e c t   r e gi s t e s e l e c t i on  a n d   p r o c e s s i n g.   B y   a na l y z i ng   t he s e   r e s u l t s ,   w e   c a a s s e s s   t he   c o rre c t   e xe c u t i o o f   a ri t hm e t i c   o pe ra t i o n s ,   S - B o t ra ns f o rm a t i o n s ,   a n d   d a t a   t ra ns f e r s   w i t hi t he   FPGA - b a s e d   c r y pt o g ra p hi c   c o p r o c e s s o r.   T h e s e   s i m u l a t i o n s   pl a y   a   c ruc i a l   r o l e   i v e ri f y i ng  ha rdw a re   i m p l e m e nt a t i o b e f o r e   s y nt h e s i s   a nd   de p l o y m e nt   o a F P G A   b o a rd .     4. 1 .     H a r d w ar e   i m p l e m e n tati o n   o d e c r yp t i o n   T h e   F P G A - b a s e c r y pt o gr a p h i c   c o pr o c e s s o r   de v e l o p e i t h i s   w o r i s   de s i g n e t o   s uppo r t   b o t e n c r y pt i o n   a n d   de c r y pt i o n   p r o c e s s e s .   S i n c e   A E S   de c r y pt i o i s   s t ruc t u r a l l y   s i m i l a r   t o   e n c r y pt i o n   b ut   r e qui r e s   i n v e r s e   t r a n s f o r m a t i o n s ,   t h e   a r c hi t e c t u r e   o f   t h e   c o pr o c e s s o r   ha s   b e e n   e xt e n de t o   e f f i c i e n t l y   h a n d l e   de c r y pt i o n .   T h e   m a i f o c us   i s   o i m p l e m e n t i ng   i n v e r s e   t r a n s fo r m a t i o n s   w hi l e   m a i nt a i n i ng   h i g pe r f o r m a n c e   a n r e s o ur c e   e f f i c i e n c y   o n   F P G A   ha r dw a r e   [25] .     4. 2 .     D e c r yp t i o n   m o d u l e   ar c h i t e c tu r e   T h e   de c r y pt i o m o dul e   i s   b ui l t   upo n   t h e   s a m e   ha r dw a re   s t r uc t u r e   us e d   f o r   e n c r y pt i o n ,   w i t a ddi t i o na l   c o m po n e nt s   f o r   ha n d l i n g   i n v e r s e   t r a n s f o r m a t i o n s .   T h e   ke y   e l e m e n t s   i n c l u de :   a)   In v e r s e   S - B o l o o kup  t a b l e   (I n v - S - B o x):   T h e   I n v - S - Bo i s   i m p l e m e n t e a s   a   p r e c o m put e l o o kup  t a b l e   (L U T s i m i l a r   t o   t h e   e n c r y pt i o n   S - Bo b ut   w i t h   r e v e r s e m a pp i n gs .   I n s t e a d   o f   c a l c ul a t i ng  t h e   m ul t i p l i c a t i v e   i n v e r s e   i n   G F (2 i n   r e a l - t i m e ,   t h e   L U T   a pp r o a c a l l o w s   f o r   c o n s t a nt - t i m e   s ub s t i t ut i o n .   E xa m pl e :   i f   e n c r y pt i o m a ps   0 x53     0xE D ,   t h e   i n v e rs e   S - Bo e n s u r e s   0x E D     0x 53.   T h e   L U T   i m p l e m e nt a t i o n   e n s u r e s   m i n i m a l   l a t e n c y   w h i l e   m a i nt a i n i ng  c r y pt o gr a p hi c   s e c ur i t y .   b)   In v e r s e   M i xCo l um n s   u n i t :   S i n c e   M i x Co l um n s   i n   A E S   e n c r y pt i o n   s p r e a ds   t h e   di f f us i on   o f   b i t s   a c r o s s   a   d a t a   b l o c k,   i t s   i n v e r s e   o pe r a t i o n   r e s t o r e s   t h e   o ri gi na l   by t e   r e l a t i o n s hi ps   us i n g   a   di f fe r e nt   m a t r i x   m ul t i p l i c a t i o i G F (2 ).   T hi s   o pe r a t i o n   i s   c o m put a t i o na l l y   i n t e n s i v e ,   b ut   p a r a l l e l i z e o t h e   F P G A   t o   m i ni m i z e   p r o c e s s i n t i m e .   T h e   i n v e r s e   t r a n s f o r m a t i o f o l l ow s   a   di f f e r e n t   m a t ri x:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   40 ,   N o .   2 ,   N o v e m be r   20 25 1 16 7 - 1 176   1174   [ 0 0 09 0 0 09 0 0 0 09 0 0 0 0 09 0 ]     c)   In v e r s e   ke y   e xpa n s i o m o dul e :   A E S   de c r y pt i o n   r e qui r e s   t h e   r o u n d   ke y s   t o   be   a ppl i e i n   r e v e r s e   o r de c o m pa r e t o   e n c r y pt i o n .   In s t e a o f   r e c o m put i n r o u n ke y s ,   t h e   ke y   e xpa n s i o u n i t   p r e c o m put e s   a n s t o r e s   t h e m   i n   r e gi s t e m e m o r y ,   a l l o w i n g   f o r   f a s t   r e t ri e v a l .   d)   A r i t hm e t i c   l o gi c   u n i t   (A L U a n d   c o n t r o l   l o gi c :   T h e   A L U ,   r e gi s t e f i l e ,   a n d   c o n t r o l   l o gi c   us e f o r   e n c r y pt i o a r e   a l s o   u t i l i z e d   f o r   de c r y pt i o n ,   o pt i m i z i n g   r e s o ur c e   a l l o c a t i o a nd  m i ni m i z i n g   ha r dw a r e   o v e rh e a d .   T o   di f f e r e n t i a t e   b e t w e e n   e n c r y pt i o n   a nd  de c r y pt i o n   o pe r a t i o n s ,   a   de c r y pt i o n   e na b l e   f l a (D E C_ E N i s   i nt e gra t e i n t o   t h e   c o n t r o l   l o gi c .   T h i s   f l a de t e r m i n e s   t h e   o pe r a t i o na l   m o de   of   t h e   s y s t e m ,   e n s u ri n g   t ha t   t h e   a p p r o pri a t e   t ra n s f o r m a t i o n s   a nd   ke y   s c h e dul i ng  a r e   a ppl i e b a s e o n   t h e   s e l e c t e m o de .   e)   T h e   i n v e r s e   S - B o (I n v - S - Bo x):   M us t   r e p l a c e   t h e   s t a n d a r d   S - B o x.   I n s t e a d   o f   us i n g   t h e   S B O X   l o o kup  t a b l e ,   w hi c i s   us e f o e n c r y pt i o n ,   w e   n e e a   p r e c o m put e i n v e r s e   l o o kup  t a b l e   ( IN V _S B O X t ha t   r e v e r s e s   t h e   s ub s t i t u t i o n .   By   m o di fy i n t h e   i n s t r uc t i o n   t o :   L U T O U T   < =   IN V _S B O X   (t o _i nt e ge r (u n s i g n e d(L U T IN )));   t h e   s y s t e m   w i l l   r e t ri e v e   t h e   c o r r e c t   i n v e r s e   s ub s t i t ut i o n   v a l ue ,   m a ppi ng  e a c c i ph e r t e xt   by t e   b a c t o   i t s   o r i gi na l   p l a i n t e x t   by t e   duri n t h e   I n v S ub By t e s   s t e of   A E S   de c r y pt i o n .   T hi s   e n s u r e s   t h e   c o rr e c t   r e v e r s a l   o f   t h e   n o n - l i n e a t r a n s f o r m a t i o n   a pp l i e d u r i n g   e n c r y pt i o n .   T h e   F i gu r e   s h o w   a   t e s t b e n c h   f o r   o u r   I n v e r s e   S - B o V H D L   m o dul e ,   w hi c t e s t   m u l t i pl e   i n pu t   v a l ue s   t o   v e r i fy   t ha t   t h e   c orr e c t   de c r y pt i o n   t ra n s f o r m a t i o i s   a ppl i e d .           F i gu r e   7 T e s t b e n c w a v e fo r m   s i m u l a t i o o f   de c r y pt i o n   t r a n s fo r m a t i o n       4. 3 .     P e r fo r m an c e   e v al u ati o n   S i m ul a t i o n   a n s y n t h e s i s   w e r e   c o n duc t e us i n g   X i l i n IS E   D e s i gn   S u i t e   t a r ge t i ng  t h e   M i m a s   V 2   S pa r t a n - 6   F P G A .   T h e   w a v e fo r m   s i m u l a t i o n s   c o n f i r m e d   t h e   f un c t i o na l   c o rr e c t n e s s   o f   t h e   A L U ,   S hi f t e r ,   a n d   S - Bo m o dul e s ,   i n c l udi ng  t h e   c o n t r o l   l o gi c   e n a b l i ng  e n c r y p t i o a nd  de c r y pt i o n   m o de s .   T h e   t i m i n g   d i a g ra m   de m o n s t r a t e l o w - l a t e n c y   da t a   p r o c e s s i n w i t p r o pe r   s y n c hr o ni z a t i o n .   K e y   pe r f o r m a n c e   m e t r i c s   i n c l ude   r e duc e e xe c ut i o n   t i m e   t hr o ug h   p a ra l l e l   S - B o c o m put a t i o n ,   e f f i c i e n t   r e s o ur c e   ut i l i z a t i o v i a   a   u ni f i e e n c r y pt i o n / de c r y pt i o n   a r c h i t e c t u r e ,   a n d   s c a l a b i l i t y   fo r   i n t e g r a t i o i nt o   l a rge c r y pt o gr a p h i c   s y s t e m s .     4. 4 .     C o m p ar ati v e   an al ys i s   Co m pa r e t o   s i m i l a w o r ks   ,   o ur  a r c hi t e c t u r e   a c hi e v e s :     L ow e r   l a t e n c y   i n   S - B o t r a n s f o r m a t i o us i n g   L U T s ,     R e duc e ha r dw a r e   r e du nda n c y   by   s h a ri n g   A L U   a n d   r e gi s t e f i l e s   a c r o s s   e n c r y pt i o n   a nd  de c r y pt i o n ,     Im p r o v e t hr o ug h pu t   s u i t a b l e   f o r   h i g h - t ra f f i c   s e c ur e   s y s t e m s .   W h i l e   p r e v i o us   w o r ks   h a v e   fo c us e o n   e i t h e e n c r y pt i o n   o r   a r e a   o pt i m i z a t i o n ,   o ur   de s i g i nt e gra t e s   b o t h   pe r f o r m a n c e   a n d   f l e xi b i l i t y .   T h e   dua l - m o de   f un c t i o na l i t y   a d ds   v e r s a t i l i t y   n o t   c o m m o nl y   a dd r e s s e i s i n g l e - m o de   a c c e l e r a t o r s   [26] .     4. 5 .     I n te r p r e t ati o n   an d   i m p l i c at i o n s   T h e s e   r e s ul t s   de m o n s t r a t e   t ha t   F P G A - b a s e c r y pt o gr a p h i c   c o pr o c e s s o r s   c a s i g ni f i c a n t l y   e nh a n c e   t h e   pe r f o r m a n c e   o f   A E S   o pe r a t i o n s   i e m b e dde s y s t e m s .   By   r e duc i n l a t e n c y   a n d   o pt i m i z i n g   r e s o ur c e   us a ge ,   o u i m pl e m e n t a t i o i s   pa rt i c ul a r l y   s ui t e f o r   r e a l - t i m e   a nd  po w e r - c o n s t ra i n e d   a ppl i c a t i o n s   s uc h   a s   Io T   n o de s ,   s e c u r e   m o b i l e   de v i c e s ,   a n d   i n dus t ri a l   c o n t r o l l e r s .   M o re ove r ,   t h e   us e   o f   p r e c o m put e S - B o a n d   I n v - S - Bo e n s u r e s   c o n s t a n t - t i m e   o pe r a t i o n s ,   w hi c h   e nh a n c e s   r e s i s t a n c e   t o   t i m i n a t t a c ks .   T hi s   c o n t ri b ut e s   t o   a   m o r e   s e c ur e   c r y pt o gr a p h i c   e xe c ut i o p i pe l i n e   [27] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       F P G A - bas e i m pl e m e n t at i on  of   an   S - B ox   c r y pt ogr a phi c   c o - p r oc e s s or   f or     ( Moul ai   Kh at i r   A hm e d   Nas s i m )   1175   4. 6 .     F u t u r e   w o r k   F ut u r e   w o r w i l l   f o c us   o n   de pl oy i n t h e   de s i g n   o n   a dv a n c e F P G A s ,   a na l y z i n g   po w e r   a n d   t h e r m a l   pe r f o r m a n c e ,   s uppo rt i n g   a ddi t i o n a l   c r y pt o gr a p h i c   a l go r i t hm s   l i ke   R S A   a nd  E CC ,   a n d   i nt e g r a t i n g   t h e   c o pr o c e s s o r   i nt o   f ul l   s e c ur e   s y s t e m s .   T h i s   s t udy   pr o v i de s   a   f o un da t i o f o r   o pt i m i z i ng  a n d   e m b e ddi n s e c ur e   ha r dw a r e   m o dul e s   i m o de rn  pl a t f o r m s .       5.   C O N C LU S I O N   In   t hi s   pa pe r,   w e   pr e s e n t e t h e   de s i g a n d   F P G A   i m pl e m e nt a t i o n   o f   a   c r y pt o gr a p hi c   c o pr o c e s s o r   o pt i m i z e f o r   S - B o t r a n s f o r m a t i o n s ,   a   f un d a m e nt a l   o pe ra t i o i A E S   e n c r y pt i o n   a n d   de c r y pt i o n .   L e ve r a g i n t h e   pa ra l l e l   p r o c e s s i n g   c a p a b i l i t i e s   o f   t h e   S p a r t a n - 6   F P G A ,   o ur   a r c hi t e c t u r e   s i g ni f i c a n t l y   r e duc e s   e xe c ut i o n   l a t e n c y   a nd   i m p r o v e s   c o m put a t i o na l   t hr o ug h put   c o m pa r e t o   t ra di t i o n a l   s o f t w a r e   i m p l e m e n t a t i o n s .   T h e   pr o po s e c o pr o c e s s o r   f e a t u r e s   a   u ni f i e de s i g s up po r t i ng  b o t e n c r y pt i o a n d   de c r y p t i o m o de s ,   w i t h   s h a r e r e s o ur c e s   s uc h   a s   t h e   A L U   a nd  c o n t r o l   l o gi c ,   w hi c h   m i ni m i z e s   ha r dw a r e   o ve r h e a d.   T h e   us e   of  pr e c o m put e S - B o a n d   I n v - S - B o L U T s   e n s u r e s   c o n s t a n t - t i m e   o pe ra t i o n,   e nha n c i n g   s e c ur i t y   a ga i n s t   t i m i ng  a t t a c ks .   S i m ul a t i o n   r e s ul t s   v a l i d a t e   t h e   c o rr e c t   b e h a v i o r   o f   t h e   a r c hi t e c t u r e   a n de m o n s t ra t e   h i g h - pe r f o r m a n c e   c r y pt o gr a p h i c   p r o c e s s i n g   s ui t a b l e   f o r   r e a l - t i m e   a ppl i c a t i o n s .   A ddi t i o n a l l y ,   t h e   s y s t e m   h a s   b e e n   de s i g n e d   w i t h   s c a l a b i l i t y   i m i n d ,   m a ki ng   i t   a da pt a b l e   t o   o t h e c r y pt o gr a p h i c   p r i m i t i v e s   o r   m o r e   a dv a n c e F P G A   p l a t f o r m s .   T h e   c o pr o c e s s o r   i s   p a r t i c ul a rl y   w e l l - s ui t e d   f o r   s e c ur e   e m b e dde a ppl i c a t i o n s ,   s uc h   a s   Io T   de v i c e s ,   i n dus t ri a l   c o nt r o l l e r s ,   a n d   m o b i l e   s y s t e m s .   F ut u r e   w o r w i l l   f o c us   o n   i m p r o v i ng  po w e r   e f f i c i e n c y ,   e xt e n d i n g   c o m pa t i b i l i t y   t o   o t h e c r y pt o gr a p h i c   a l go ri t hm s   (e . g . ,   R S A ,   E CC) ,   a n d   i nt e g r a t i n g   t h e   c o pr o c e s s o r   i n t o   a   c o m pl e t e   s e c ur e   s y s t e m - on - c h i p   (S o C)  a r c hi t e c t u r e .       A C K N O WL ED G E M EN TS   T h e   a ut h o r s   w o ul l i ke   t o   t ha n k   t h e   M i n i s t r y   of   h i g h e e duc a t i o n   a n d   s c i e n t i f i c   r e s e a r c h   o f   t h e   A l ge ri a go v e r nm e nt   a n d   t h e   F a c ul t y   of   T e c h n o l o g y T l e m c e n   U ni v e r s i t y   fo r   p r o v i di n g   t h e   f u n d i n f o t hi s   r e s e a r c h.       F U N D I N G   I N F O R M A TI O N     A ut h o r s   s t a t e   n o   f un d i n g   i n v o l v e d.       C O N F LI C O F   I N T ER ES S TA T EM EN T   A ut h o r s   s t a t e   n o   c o n f l i c t   o f   i nt e r e s t .       DA TA   A V A I LA B I LI T Y   D a t a   a v a i l a b i l i t y   i s   n o t   a ppl i c a b l e   t o   t hi s   pa pe a s   n o   n e w   d a t a   w e r e   c r e a t e d   o a n a l y z e i t hi s   s t udy .       R EF ER EN C ES   [1 ]   C.   J . E z e o fo a n d   A .   G .   U l a s i ,   A n a l y s i s   o n e t w o rk   d a t a   e n c ry p t i o n   a n d   d e c ry p t i o n   t e c h n i q u e s   i n   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m s ,   In t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   In n o v a t i v e   R e s e a r c h   i n   S c i e n c e ,   E n g i n e e r i n g   a n d   T e c h n o l o g y ,   v o l .   0 3 ,   n o .   1 2 ,   p p .   1 7 7 9 7 1 7 8 0 7 ,   D e c .   2 0 1 4 ,   d o i :   1 0 . 1 5 6 8 0 / i j i r s e t . 2 0 1 4 . 0 3 1 2 0 0 8 .   [2 ]   V .   B .   S h a i k ,   F l e x i b l e   a n d   c o s t - e ffe c t i v e   c r y p t o g ra p h i c   e n c r y p t i o n   a l g o r i t h m   fo r   n o n - d a t a f i l e s ,   J o u r n a l   o f   K i n g   S a u d   U n i v e r s i t y   -   Co m p u t e r   a n d   In f o r m a t i o n   S c i e n c e s ,   v o l .   3 4 ,   n o .   1 0 ,   p p .   7 6 9 6 7 7 0 5 ,   2 0 2 2 .   [3 ]   A .   C .   C h e n ,   P e r fo r m a n c e   c o m p a ri s o n   o v a ri o u s   m o d e s   o a d v a n c e d   e n c ry p t i o n   s t a n d a r d ,   a r X i v   p r e p r i n t   a r X i v :2 4 0 7 . 0 9 4 9 0 2024.   [4 ]   Y .   Z h a n g ,   A p p l i c a t i o n   o f   o p t i m i z i n g   a d v a n c e d   e n c r y p t i o n   s t a n d a rd   a l g o ri t h m s   i n   v e h i c l e   c o n t r o l l e s e c u re   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m s ,   F r o n t i e r s   i n   M e c h a n i c a l   E n g i n e e r i n g ,   v o l .   1 0 ,   2 0 2 4 ,   d o i :   1 0 . 3 3 8 9 / fm e c h . 2 0 2 4 . 1 4 0 7 6 6 5 .   [5 ]   A .   S y ,   S é c u ri s a t i o n   d e   d o n n é e s   s e n s i b l e s   à   l ’a i d e   d ’a u t o e n c o d e u c o n v o l u t i o n n e l   p ro fo n d   p o u i m a g e s ,   M a s t e r ’s   t h e s i s ,   U n i v e r s i t é   d u   Q u é b e c   à   Ch i c o u t i m i ,   2 0 2 4 .   [6 ]   A .   M a n s o u r,   K .   M .   M a l i k ,   a n d   N .   K a s o ,   A M O U N :   a s y m m e t ri c   l i g h t w e i g h t   c r y p t o g ra p h i c   s c h e m e   fo w i re l e s s   g r o u p   c o m m u n i c a t i o n ,   Co m p u t e r   Co m m u n i c a t i o n s ,   v o l .   1 6 9 ,   p p .   1 5 4 1 6 7 ,   M a r.   2 0 2 1 ,   d o i :   1 0 . 1 0 1 6 / j . c o m c o m . 2 0 2 1 . 0 1 . 0 1 9 .   [7 ]   A .   L .   S i ri d h a ra   e t a l . ,   S e c u re   z i g b e e   w i r e l e s s   c o m m u n i c a t i o n   u s i n g   A E S   e n c ry p t i o n ,   In t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   A d v a n c e d   R e s e a r c h   i n   S c i e n c e ,   E n g i n e e r i n g   a n d   T e c h n o l o g y ,   v o l .   1 4 ,   n o .   4 ,   p p .   5 9 2 5 9 8 ,   2 0 2 4 .   [8 ]   P .   V i s c o n t i ,   R.   V e l a z q u e z ,   S .   Ca p o c c i a ,   a n d   R .   d e   F a z i o ,   H i g h - p e r fo r m a n c e   A E S - 128  a l g o ri t h m   i m p l e m e n t a t i o n   b y   F P G A - b a s e d   S o C   fo 5 G   c o m m u n i c a t i o n s ,   In t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E l e c t r i c a l   a n d   Co m p u t e r   E n g i n e e r i n g ,   v o l .   1 1 ,   n o .   5 ,   p p .   4 2 2 1 4 2 3 2 ,   o c t .   2 0 2 1 ,   d o i   :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j e c e . v 1 1 i 5 . p p 4 2 2 1 - 4232.   [9 ]   V .   T .   N g u y e n ,   T .   D a n g ,   T .   T .   N g u y e n ,   a n d   D .   P h a m ,   A E S - RV :   h a rd w a re - e ff i c i e n t   RIS C - V   a c c e l e ra t o w i t h   l o w - l a t e n c y   A E S   i n s t r u c t i o n   e x t e n s i o n   f o r   Io T   s e c u r i t y ,   a r X i v   p r e p r i n t ,   a r X i v : 2 5 0 5 . 1 1 8 8 0 ,   2 0 2 5 .   [E n   l i g n e ] .   D i s p o n i b l e :   h t t p s : / / a r x i v . o rg / a b s / 2 5 0 5 . 1 1 8 8 0 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   40 ,   N o .   2 ,   N o v e m be r   20 25 1 16 7 - 1 176   1176   [1 0 ]   A .   S i d e ri s   a n d   M .   D a s y g e n i s ,   E n h a n c i n g   t h e   h a rd w a r e   p i p e l i n i n g   o p t i m i z a t i o n   t e c h n i q u e   o f   t h e   S H A - 3   v i a   F P G A ,   Co m p u t a t i o n v o l .   1 1 ,   n o .   8 ,   p .   1 5 2 ,   A u g .   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / c o m p u t a t i o n 1 1 0 8 0 1 5 2 .   [1 1 ]   J .   T .   G ry c e l   a n d   R.   J .   W a l l s ,   D ra b - L o c u s :   a n   a r e a - e ff i c i e n t   A E S   a r c h i t e c t u r e   f o r   h a rd w a r e   a c c e l e ra t o r   c o - l o c a t i o n   o n   F P G A S ,   i n   P r o c e e d i n g s   -   IE E E   In t e r n a t i o n a l   S y m p o s i u m   o n   Ci r c u i t s   a n d   S y s t e m s ,   O c t .   2 0 2 0 ,   v o l .   2 0 2 0 - O c t o b ,   p p .   1 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / i s c a s 4 5 7 3 1 . 2 0 2 0 . 9 1 8 1 1 8 6 .   [1 2 ]   C.   M .   H a r o l d o ,   N .   C.   D a v i d ,   M .   M a d a n i ,   a n d   E .   B.   B o u re n n a n e ,   F P G A   i m p l e m e n t a t i o n   o A E S - b a s e d   o n   o p t i m i z e d   d y n a m i c   s - b o x ,   i n   P r o c e e d i n g s   o f   t h e   In t e r n a t i o n a l   Co n f e r e n c e   o n   S e c u r i t y   a n d   Cr y p t o g r a p h y ,   2 0 2 4 ,   p p .   7 3 0 7 3 7 ,   d o i :   1 0 . 5 2 2 0 / 0 0 1 2 7 8 0 3 0 0 0 0 3 7 6 7 .   [1 3 ]   H .   K i m ,   M . - K y u   L e e ,   D . - K y u e   K i m ,   S . - K y o o n   C h u n g   a n d   K .   C h u n g ,   D e s i g n   a n d   i m p l e m e n t a t i o n   o f   a   c r y p t o   p ro c e s s o r   a n d   i t s   a p p l i c a t i o n   t o   s e c u ri t y   s y s t e m ,   Co m p u t a t i o n a l   In t e l l i g e n c e   a n d   S e c u r i t y ,   p p .   1 1 0 4 - 1 1 0 9 ,   2 0 0 0 ,   d o i :   1 0 . 1 0 0 7 / 1 1 5 9 6 9 8 1 _ 1 6 5 .   [1 4 ]   T .   M .   K u m a r ,   K .   S .   Re d d y ,   S .   Ri n a l d i ,   B.   D .   P a r a m e s h a c h a ri ,   a n d   K .   A ru n a c h a l a m ,   A   l o w   a r e a   h i g h   s p e e d   F P G A   i m p l e m e n t a t i o n   o f   a e s   a rc h i t e c t u r e   fo c ry p t o g ra p h y   a p p l i c a t i o n ,   E l e c t r o n i c s   ( S w i t z e r l a n d ),   v o l .   1 0 ,   n o .   1 6 ,   p .   2 0 2 3 ,   A u g .   2 0 2 1 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / e l e c t ro n i c s 1 0 1 6 2 0 2 3 .   [1 5 ]   P .   T h o n t i ra w o n g   a n d   P .   Ch o n g s t i t v a t a n a ,   A   l o w - r e s o u r c e   A E S   e n c r y p t i o n   c i rc u i t   u s i n g   d y n a m i c   re c o n f i g u ra t i o n ,   J o u r n a l   o f   Co m p u t e r   S c i e n c e   a n d   T e c h n o l o g y ,   2 0 0 8 .   [1 6 ]   S .   D e s h p a n d e ,   C.   X u ,   M .   N a w a n ,   K .   N a w a z ,   a n d   J .   S z e fe r,   F a s t   a n d   e ff i c i e n t   h a r d w a r e   i m p l e m e n t a t i o n   o H Q C,   i n   P r o c .   4 t h   NIS T   P o s t - Q u a n t u m   Cr y p t o g r a p h y   S t a n d a r d i z a t i o n   Co n f . ,   2 0 2 2 .   h t t p s : / / c s r c . n i s t . g o v / c s rc / m e d i a / E v e n t s / fo u rt h - p q c - s t a n d a r d i z a t i o n - c o n fe r e n c e / d o c u m e n t s / p a p e r s / f a s t - a n d - e ffi c i e n t - h a r d w a r e - i m p l - of - hqc - p q c 2 0 2 2 . p d f   [1 7 ]   T .   G o o d   a n d   M .   B e n a i s s a ,   A E S   o n   F P G A     fro m   t h e   f a s t e s t   t o   t h e   s m a l l e s t ,   Cr y p t o g r a p h i c   H a r d w a r e   a n d   E m b e d d e d   S y s t e m s     CH E S   2 0 0 5 ,   2 0 0 5 ,   p p .   4 2 7 4 4 0 ,   d o i   :   0 . 1 0 0 7 / 1 1 5 4 5 2 6 2 _ 3 1 .   [1 8 ]   R.   K a ra k c h i   e t   a l . ,   T o w a r d   a   l i g h t w e i g h t ,   s c a l a b l e ,   a n d   p a ra l l e l   s e c u r e   e n c ry p t i o n   e n g i n e ,   a r X i v   p r e p r i n t   a r X i v :2 5 0 6 . 1 5 0 7 0 ,   2025 .   [1 9 ]   H .   H a m z a h ,   N .   A h m a d ,   M .   H .   J a b b a r,   a n d   C.   F .   S o o n ,   O p t i m i z a t i o n   A E S   S - b o x / I n v   S - b o x   u s i n g   F P G A   i m p l e m e n t a t i o n ,   J o u r n a l   o f   T e l e c o m m u n i c a t i o n ,   E l e c t r o n i c   a n d   Co m p u t e r   E n g i n e e r i n g   ( J T E C) ,   v o l .   9 ,   n o .   3 8 ,   p p .   1 3 3 1 3 6 ,   2 0 1 7 .   [2 0 ]   G .   P .   S a g g e s e ,   A .   M a z z e o ,   M .   F i c c o ,   a n d   L .   R o m a n o ,   F A C - V :   a n   F P G A - b a s e d   A E S   c o p r o c e s s o fo RIS C - V ,   J o u r n a l   o f   L o P o w e r   E l e c t r o n i c s   a n d   A p p l i c a t i o n s ,   v o l .   1 2 ,   n o .   4 ,   p .   5 0 ,   D e c .   2 0 2 2 .   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / j l p e a 1 2 0 4 0 0 5 0 .   [2 1 ]   J. - L .   B e u c h a t ,   E .   O k a m o t o ,   e t   T .   Y a m a z a k i ,   A   l o w - a r e a   u n i f i e d   h a r d w a re   a rc h i t e c t u re   fo t h e   A E S   a n d   t h e   c r y p t o g ra p h i c   h a s h   f u n c t i o n   E CH O ,   J o u r n a l   o f   Cr y p t o g r a p h i c   E n g i n e e r i n g ,   v o l .   1 ,   p p .   1 0 1 1 2 1 ,   2 0 1 1 ,   d o i :   1 0 . 1 0 0 7 / s 1 3 3 8 9 - 011 - 0009 - 8.   [2 2   S .   P a t e l   a n d   R.   K u m a r ,   E d u c a t i o n a l   u s e   o f   F P G A   b o a r d s   i n   c o m p u t e r   e n g i n e e ri n g ,   In t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E n g i n e e r i n g   E d u c a t i o n ,   v o l .   3 9 ,   n o .   4 ,   p p .   1 2 4 7 1 2 6 0 ,   2 0 2 3   :   h t t p s : / / w w w . i j e e . i e .   [2 3 ]   H .   A n w a r ,   M .   D a n e s h t a l a b ,   M .   E b ra h i m i ,   J .   P l o s i l a ,   a n d   H .   T e n h u n e n ,   F P G A   i m p l e m e n t a t i o n   o A E S - b a s e d   c ry p t o   p r o c e s s o r,   i n   P r o c e e d i n g s   o f   t h e   I E E E   In t e r n a t i o n a l   Co n f e r e n c e   o n   E l e c t r o n i c s ,   C i r c u i t s ,   a n d   S y s t e m s ,   D e c .   2 0 1 3 ,   p p .   3 6 9 3 7 2 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / ICE CS . 2 0 1 3 . 6 8 1 5 4 3 1 .   [2 4 ]   R.   J o s h i ,   N .   N a i k ,   N .   K a s h i d ,   S .   W a y k a r,   a n d   C .   Ra n g ra s s ,   V H D L   i m p l e m e n t a t i o n   o f   1 6   Bi t   A L U , ”  In t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E n g i n e e r i n g   R e s e a r c h   a n d   T e c h n o l o g y ,   v o l .   2 ,   n o .   4 ,   p p .   1 4 ,   2 0 1 4 ,   d o i :   1 0 . 1 7 5 7 7 / IJ E RT CO N V 2 IS 0 4 0 5 0 .   [2 5 ]   S .   S a m a n t a ,   F P G A   i m p l e m e n t a t i o n   o A E S   e n c r y p t i o n   a n d   d e c ry p t i o n ,   D e s i g n   a n d   R e u s e ,   2 0 0 6 .   [2 6 ]   N .   S .   S .   S r i n i v a s   a n d   M .   A k ra m u d d i n ,   " F P G A   b a s e d   h a r d w a r e   i m p l e m e n t a t i o n   o A E S   R i j n d a e l   a l g o ri t h m   fo e n c ry p t i o n   a n d   d e c r y p t i o n , "   2 0 1 6   In t e r n a t i o n a l   Co n f e r e n c e   o n   E l e c t r i c a l ,   E l e c t r o n i c s ,   a n d   O p t i m i z a t i o n   T e c h n i q u e s   ( IC E E O T ),   C h e n n a i ,   I n d i a ,   2 0 1 6 ,   p p .   1 7 6 9 - 1 7 7 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / ICE E O T . 2 0 1 6 . 7 7 5 4 9 9 0 .   [2 7 ]   P .   K a d a m   a n d   N .   D .   P a r m a r,   C o m b i n e d   a rc h i t e c t u re   fo A E S   e n c r y p t i o n   a n d   d e c ry p t i o n   u s i n g   F P G A ,   In t e r n a t i o n a l   Co n f e r e n c e   o n   Co m m u n i c a t i o n   T e c h n o l o g y   ( ICC T ) ,   p p .   1 4 1 8 ,   2 0 1 5 .       B I O G R A P H I ES   O F   A U T H O R S       M o u l ai   K h a t i r   A h m e d   N a s s i m           r e c e i v e d   hi s   i ng e nu i t y   de g r e e   i n   e l e c t r o n i c s   a t   F a c ul t y   o f   T e c hno l o gy     U ni v e r s i t y   o f   T l e m c e   A l g e r i a ,   a nd   hi s   M a g i s t e r   a nd   do c t o r a t e   i m i c r o e l e c t r o ni c s   a t   F a c ul t y   o f   T e c hno l ogy     U ni v e r s i t y   o f   T l e m c e n.   F ul l - t i m e   pr o f e s s o r   o f   a dv a nc e d i g i t a l   e l e c t r o ni c s   ( F P G A   a n V H D L )   a nd   e l e c t r o ni c s   g r a dua t e d   p r o g r a m ,   E l e c t r i c a l   E ng i ne e r i ng   a n d   E l e c t r o ni c s   D e pa r t m e n t   -   F a c ul t y   o f   T e c hno l o gy   -   U ni v e r s i t y   of   T l e m c e n     A l g e r i a   a nd  m e m be r   o f   t he   R e s e a r c U n i t   f o r   M a t e r i a l s   a nd   R e n e w a bl e   E n e r g i e s   ( U R M E R ) ,   U ni v e r s i t y   o f   T l e m c e n,   B P - 119 ,   T l e m c e 1 3000 ,   A l g e r i a .   H e   c a be   c o nt a c t e d   a t   e m a i l :   a hm e dd na s s i m . m o ul a i kh a t i r @un i v - t l e m c e n. dz .         Z i an i   Z ak ar y         r e c e i v e d   h i s   i ng e nu i t y   de g r e e   i n   p hy s i c s   a t   F a c ul t y   o f   S c i e nc e     U ni v e r s i t y   o f   T l e m c e n     A l g e r i a ,   a n h i s   M a g i s t e r   a n do c t o r a t e   i e ne r g y   ph y s i c s   a nd   m a t e r i a l s   a t   F a c ul t y   of   S c i e nc e     U n i v e r s i t y   o f   T l e m c e n.   F ul l - t i m e   pr o f e s s o r   i D e pa r t m e nt   o f   S N V ,   I ns t i t u t e   o f   S c i e nc e s ,   U ni v e r s i t y   C e nt e r   o f   S a l h i   A hm e N a a m a ,   B P - 66 ,   N a a m a   4500 0,   A l g e r i a M e m be r   o f   t he   L a bo r a t o r y   f o r   t he   S us t a i na bl e   M a na g e m e nt   o f   N a t u r a l   R e s o ur c e s   i n   A r i a nd  S e m i - A r i Z o ne s ,   U ni v e r s i t y   C e nt e r   S a l hi   A hm e d,   B P - 66,   N a a m a   4500 0,   A l g e r i a .   H e   c a n   be   c o nt a c t e d   a t   e m a i l :   z i a ni @c uni v - na a m a . dz .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.