密碼事關政治、經(jīng)濟、國防和信息安全，是保護黨和國家根本利益的國之重器。近年來，量子計算機技術飛速發(fā)展，對傳統(tǒng)的公鑰密碼算法及協(xié)議體系的安全性造成了顛覆性的影響，與經(jīng)典計算機兼容、具備抵抗量子計算攻擊能力的抗量子密碼應運而生。2016年，美國國家標準與技術研究院（NIST）率先啟動了抗量子密碼算法競賽，經(jīng)過三輪評選，NIST選定了4種抗量子公鑰密碼算法進行標準化，并在持續(xù)征集新的密碼算法。2018年，中國密碼學會啟動了全國密碼算法設計競賽，并于2020年1月公布了獲勝的抗量子密碼算法； 2025年，我國商用密碼標準研究院發(fā)起了新一代商用密碼算法征集活動，來推動我國抗量子密碼算法的標準化建設。歐盟、英國、澳大利亞、日本等國家和地區(qū)也在積極推動抗量子密碼算法的標準化工作。隨著抗量子密碼算法標準的陸續(xù)發(fā)布，世界各主要國家也已經(jīng)啟動了抗量子密碼算法的遷移工作，為應對量子計算機帶來的巨大安全威脅做準備。

　　2006年起，著者團隊開始研究動態(tài)可重構計算芯片。2009年，我們嘗試基于動態(tài)可重構技術開展密碼處理器設計，經(jīng)過6~7年的努力，研制出能夠兼顧能量效率、功能靈活性和物理安全性的密碼處理器芯片，這是其他傳統(tǒng)技術方案難以實現(xiàn)的。2017年，我們對這項研究工作進行了總結(jié)，撰寫了《可重構計算密碼處理器》一書，并得以出版，隨后，該書的英文版Reconfigurable Cryptographic Processor在施普林格出版社出版。2019年，我們對這項知識產(chǎn)權進行了轉(zhuǎn)化，創(chuàng)立了無錫沐創(chuàng)集成電路設計有限公司，依托該公司，我們實現(xiàn)了技術的產(chǎn)業(yè)化應用，目前，無錫沐創(chuàng)集成電路設計有限公司已經(jīng)發(fā)展成為我國密碼芯片領域重要的民營企業(yè)之一。2016年，我們注意到抗量子密碼算法的發(fā)展，由于抗量子密碼算法正在持續(xù)演進，且算法的復雜度要遠高于傳統(tǒng)的公鑰密碼算法，抗量子密碼芯片想要兼顧能量效率、功能靈活性（特別是對持續(xù)推出的新算法的有效支持）和物理安全性將更加困難，但考慮到量子計算機對信息安全帶來的潛在威脅，我們果斷將研究重點轉(zhuǎn)向了動態(tài)可重構抗量子密碼芯片的研究，在國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金面上項目等國家計劃的持續(xù)支持下，經(jīng)過近十年的努力，我們先后攻克了功能靈活的高能效抗量子密碼芯片架構設計、敏捷公鑰密碼計算通路設計、自適應物理安全防護機制等多項關鍵技術，并聯(lián)合無錫沐創(chuàng)集成電路設計有限公司研發(fā)了兩款商用的抗量子密碼芯片，在此過程中，我們陸續(xù)將研究工作發(fā)表在ISSCC、CHES、HOST等會議上，其中，發(fā)表在ISSCC 2022的論文介紹了團隊研發(fā)的全球首款支持多個數(shù)學難題的抗量子密碼芯片，發(fā)表在ISSCC 2024的論文介紹了團隊研發(fā)的全球首款能夠支持國內(nèi)外主流抗量子密碼方案的芯片，我們的研究工作也獲得了國內(nèi)外同行的認可，張能博士于2023年獲評中國密碼學會優(yōu)秀博士論文獎（該學會首篇芯片方向優(yōu)博），朱益宏博士于2024年獲評IEEE固態(tài)電路學會博士生成就獎（全球每年評20余人），并有多位團隊成員受邀擔任CHES和ISSCC的TPC委員。

　　本書共分為7章。第1章首先介紹抗量子密碼算法的概念、標準化進展及抗量子密碼遷移的緊迫性，接下來進一步總結(jié)標準化過程中抗量子密碼芯片現(xiàn)狀并討論抗量子密碼芯片所面臨的設計挑戰(zhàn)。第2章對主流的抗量子密碼算法的數(shù)學原理進行分析，并重點討論核心計算模塊的高效計算方法。第3章對當前領域定制抗量子密碼芯片研究進行介紹，并在此基礎上闡述粗粒度可重構抗量子密碼芯片架構的設計方法。第4章從抗量子密碼核心計算功能出發(fā)，介紹具體的電路級可重構設計方法。第5章從軟件映射的角度解釋如何在單一硬件架構上實現(xiàn)對多種抗量子密碼算法的高效映射與優(yōu)化。第6章從物理安全設計的角度分析目前抗量子密碼芯片所面臨的一系列側(cè)信道攻擊威脅，以及相應的防護方法。第7章對具有抗量子攻擊屬性的密碼算法發(fā)展趨勢和芯片技術發(fā)展趨勢進行展望。

　　本書凝聚了清華大學硬件安全與密碼芯片實驗室近十年的科研成果，并總結(jié)了國內(nèi)外最新的研究進展，力爭向讀者完整地介紹抗量子密碼芯片的技術體系和發(fā)展趨勢。感謝朱文平、朱益宏、楊博翰、趙燦坤、陳相任、盧思佳、王漢寧、趙琪、劉江雪、孫駿文、趙航、龔新勝、張燃、彭碩航、歐陽屹、楊明遠、張佳男、張能、李重陽、戴彤蔚等同事和同學的持續(xù)努力。感謝魏少軍教授對本書撰寫工作的指導。最后，還要感謝我的愛人和孩子們對我工作的理解和寬容，你們的愛是我前進的重要動力！

　　本書得到國家重點研發(fā)計劃項目（No.2023YFB4403500）和國家自然科學基金項目（No. 62274102）的支持！

劉雷波
2025年3月于清華園