암호화 하드웨어 성능을 높이는 6가지 핵심 혁신

내일의 암호학을 구현하려면, 업계는 컴퓨팅 수요를 대폭 줄이는 창의적인 하드웨어 업그레이드와 소프트웨어 최적화를 결합해야 합니다. 다행히 우리는 검증된 기술의 탄탄한 기반 위에서 구축하고 있습니다.

암호화의 보편화와 컴퓨팅 비용 문제

근미래에 암호화는 식료품 목록부터 의료 기록까지 모든 곳에서 쓰일 것입니다. 이는 흥미로운 약속이지만, 암호화 환경은 여전히 변동성이 큽니다. 오늘날의 임무는 향후 10년간 등장할 위협으로부터 데이터를 보호하는 것입니다.

모든 데이터 바이트는 소프트웨어, 네트워크, 스토리지 계층을 거치며 여러 암호화 연산을 거칠 수 있습니다. 이 계층들은 중요한 비즈니스 기능을 보호하지만, 동시에 현대 하드웨어에서 가장 컴퓨팅 집약적인 작업을 나타냅니다. 데이터 양이 폭증하고 조직이 더 큰 키 크기와 다중 알고리즘 스위트를 채택함에 따라, 암호화 연산 수요는 급격히 증가하고 있습니다.

하드웨어 혁신으로 '컴퓨팅 비용' 해결

이 '컴퓨팅 비용' 문제를 해결하기 위해 하드웨어 부문은 새로운 마이크로아키텍처 개선, 고정 기능 명령어 세트, 소프트웨어 수준 최적화를 도입했습니다. 대표적인 예가 AES-NI 명령어 세트로, 이는 AES(Advanced Encryption Standard) 및 기타 FIPS 알고리즘에 필요한 CPU 사이클을 획기적으로 줄였습니다. 지난 10년간 이러한 발전이 기업 전반에 견고한 암호화의 광범위한 채택을 견인했습니다.

양자 컴퓨팅 위협과 포스트 양자 암호학(PQC)으로의 전환

양자 컴퓨팅은 대칭 및 비대칭 알고리즘 모두를 위협합니다. 키 크기를 128비트에서 256비트로 확장하면 AES를 양자 공격에 대비해 강화할 수 있지만, 컴퓨팅 오버헤드도 증가시킵니다. 마찬가지로 RSA와 ECDSA는 구식이 될 가능성이 높습니다. '양자에 의한 죽음' 대신, 업계는 보안, 키 크기, 스토리지, 성능의 균형을 맞춘 표준으로 포스트 양자 암호학(PQC)으로 피벗하고 있습니다. NIST PQC 경쟁은 이미 여러 유망한 후보를 보여주고 있습니다.

양자 내성 알고리즘으로의 전환은 점진적일 것입니다. 새로운 표준이 안전하고 경제적으로 실행 가능함이 입증될 때까지 기존 방식이 공존할 것입니다. 그때까지 조직은 성능 페널티가 허용될 때만 더 강력한 암호화를 신중하게 채택할 것입니다.

오늘날 내일의 암호화 능력을 가속화하는 6가지 혁신

1. TLS 암호화 알고리즘

TLS는 두 단계로 작동합니다. 세션 개시 단계에서 클라이언트(일반적으로 RSA)는 공개키 방식을 사용해 비밀 키를 교환합니다. RSA의 모듈러 지수 연산은 계산 비용이 많이 들어 프로세서 사이클의 큰 부분을 차지합니다. RSA를 타원 곡선 암호(ECC) 및 완전 순방향 비밀성과 결합하면 더 낮은 비용으로 더 강력한 보안을 제공합니다.

데이터 전송 단계에서 TLS는 패킷을 암호화하고 MAC을 통해 인증합니다. AES-GCM 같은 암호 스위트는 암호화와 인증을 융합하여 왕복 지연을 줄이고 구현을 단순화합니다. 최신 CPU의 최적화된 대량 데이터 경로는 처리량을 더욱 향상시킵니다.

2. 공개키 암호화 명령어 세트

대수 연산을 가속화하기 위해 벤더들은 이제 특수 명령어 세트를 제공합니다. 예를 들어 Intel의 Ice Lake 프로세서는 AVX512_INTEGER_FMA(AVX512_IFMA)를 지원하는데, 이는 8개의 52비트 부호 없는 정수를 병렬로 곱하고 결과를 64비트 누산기에 더합니다. 멀티버퍼 처리와 결합하면 이 명령어들은 RSA, ECC 및 기타 공개키 연산에 상당한 속도 향상을 제공합니다.

3. 대칭 암호화 개선

두 가지 벡터 기반 확장이 AES 성능을 높입니다: 벡터화된 AES(VAES)와 벡터화된 캐리리스 곱셈. VAES는 512비트 ZMM 레지스터를 사용하여 최대 4개의 128비트 블록을 동시에 처리하여 모든 AES 모드에 이점을 줍니다. 캐리리스 곱셈 확장은 갈루아 해싱을 가속화하여 AES-GCM을 빠르게 합니다.

4. 해싱 최적화

새로운 SHA 확장은 SHA-256을 명령어당 여러 라운드 실행하도록 가속화합니다. 이러한 개선은 무결성 검사, 키 파생, 블록체인 연산에 필수적인 더 많은 해싱 워크로드를 성능 저하 없이 가능하게 합니다.

5. 함수 스티칭(Function Stitching)

2010년에 도입된 함수 스티칭은 전통적으로 순차적인 두 알고리즘(예: AES-CBC와 SHA-256)을 단일 인터리브 루틴으로 병합합니다. 데이터 의존성과 명령어 레이턴시를 겹치게 함으로써 CPU 실행 유닛을 바쁘게 유지하여, 별도 파이프라인보다 높은 처리량을 달성합니다.

6. 멀티버퍼 처리

멀티버퍼링은 여러 독립적 데이터 스트림을 병렬로 실행합니다. SIMD(AVX/AVX2/AVX512) 명령어와 결합하면, 네이티브 벡터 지원이 없는 프로세서에서도 해싱과 대칭 암호화의 처리량을 극적으로 개선합니다. 데이터 양이 증가함에 따라 이 기술은 성능 유지를 위해 필수적이 될 것입니다.

양자 시대 대비: 하드웨어와 소프트웨어의 결합

양자 컴퓨팅은 우리가 예상하는 것보다 더 빨리 도래할 것입니다. 업계의 마인드셋은 '암호화해야 하는가?'에서 '왜 이 데이터가 암호화되지 않았는가?'로 이동하고 있습니다. 하드웨어 발전과 알고리즘 및 소프트웨어 혁신을 결합함으로써, 우리는 포스트 양자 세계의 도전에 대응하고 차세대 암호화 체계의 채택을 가속화할 수 있습니다.

Wajdi Feghali는 Intel Fellow입니다.

>> 이 기사는 자매 사이트인 EE Times에 원래 게재되었습니다.

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