Μελέτη απόδοσης post-quantum cryptography αλγορίθμων
Loading...
Date
2026-07-13
Authors
Αναστασοπούλου, Πηνελόπη-Κωνσταντίνα
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η εμφάνιση κβαντικών υπολογιστών επαρκούς ισχύος αναμένεται να καταστήσει ανασφαλείς τους κλασικούς αλγορίθμους δημόσιου κλειδιού — RSA και Elliptic Curve Cryptography — μέσω του αλγορίθμου Shor. Σε απάντηση, το NIST τυποποίησε το 2024 τους πρώτους αλγορίθμους Post-Quantum Cryptography (PQC) βασισμένους σε μαθηματικά πλέγματα: το ML-KEM (FIPS 203) για ανταλλαγή κλειδιών και το ML-DSA (FIPS 204) για ψηφιακές υπογραφές. Η ποσοτική αξιολόγηση της απόδοσης και της ενεργειακής αποδοτικότητάς τους σε πραγματικά υπολογιστικά περιβάλλοντα αποτελεί κρίσιμη προϋπόθεση για τη σχεδίαση βιώσιμης μετα-κβαντικής υποδομής.
Η παρούσα εργασία πραγματοποιεί συστηματική, πολυεπίπεδη μελέτη απόδοσης και ενεργειακής αποδοτικότητας των ML-KEM και ML-DSA σε τέσσερις GPU αρχιτεκτονικές που καλύπτουν ολόκληρο το φάσμα — από gaming κάρτες έως HPC data center: RTX 4090, A100-SXM4, Tesla V100 και NVIDIA A2 — αξιολογούμενες παράλληλα με τους αντίστοιχους host CPUs τεσσάρων εργαστηριακών κόμβων, που αντιπροσωπεύουν εξίσου ευρύ φάσμα αρχιτεκτονικών, από desktop Ryzen έως 128-πύρηνο EPYC server.
Η μεθοδολογία οργανώνεται σε τέσσερα επίπεδα: CPU baseline single-thread με liboqs, πολυνηματική αξιολόγηση με OpenMP σε πλήρες thread sweep, GPU επιτάχυνση με το NVIDIA cuPQC SDK σε kernel-only και end-to-end mode με sweep batch sizes για εντοπισμό saturation points και PCIe overhead, και ενεργειακή ανάλυση με πρωτότυπο NVML PowerSampler module που μετρά ops/Joule και θερμοκρασία για κάθε κάρτα.
Συμπληρωματικά, υλοποιήθηκε custom CUDA kernel για το Number Theoretic Transform (NTT) — το θεμελιώδες αριθμητικό primitive των αλγορίθμων πλέγματος — επιτυγχάνοντας εντυπωσιακή επιτάχυνση έναντι single-thread CPU και σε όλες τις κάρτες, αναδεικνύοντας το εύρος του GPU memory bandwidth ως τον καθοριστικό παράγοντα. Ως πρακτική επίδειξη αναπτύχθηκε πλήρες TLS 1.3 demo σε πραγματικό δίκτυο datacenter, συγκρίνοντας Classical, Hybrid και Pure Post-Quantum handshake.
Τα ευρήματα αναδεικνύουν ότι δεν υπάρχει μία «βέλτιστη» GPU για PQC workloads: η RTX 4090 υπερέχει σε raw throughput, ενώ η A100-SXM4 — χάρη στο HBM2e memory bandwidth και το SXM fabric — αναδεικνύεται ως η πιο ενεργειακά αποδοτική κάρτα σε batch workloads, με ποσοτικά ανώτερες επιδόσεις ops/Joule σε όλους τους αξιολογούμενους αλγορίθμους. Ισχυρές πολυπύρηνες CPUs με πλατύ SIMD μπορούν να ξεπεράσουν μικρές edge GPUs ολοκληρωτικά — ένα αντίθετο διαισθητικό εύρημα που ακυρώνει την αυτόματη προτίμηση GPU. Το PCIe data-transfer overhead αποδεικνύεται σημαντικό και αντιστρόφως ανάλογο της υπολογιστικής ισχύος της κάρτας, ενώ η επιλογή βέλτιστου batch size αναδεικνύεται ως ο πλέον κρίσιμος παράγοντας αποδοτικής ανάπτυξης — ιδίως για την A100, όπου η λανθασμένη επιλογή μπορεί να εξαφανίσει το μεγαλύτερο μέρος της δυνητικής ενεργειακής αποδοτικότητας. Τέλος, το Pure Post-Quantum TLS αποδεικνύεται άμεσα αναπτύξιμο με αμελητέα επιβάρυνση latency, επιβεβαιώνοντας την πρακτική ετοιμότητα της μετάβασης σε post-quantum ασφαλή επικοινωνία.
Description
Keywords
Κρυπτογραφία