性能优化与验证实践
在线安全交易普遍依赖RSA等公钥加密方案，其安全性基于大数分解难题。由于涉及大整数模幂运算，传统实现存在显著计算开销。某中心自动化推理团队通过以下创新将Graviton2芯片的RSA签名吞吐量提升33%-94%：
算法层面优化
- 蒙哥马利模乘改进：采用Karatsuba算法分解乘法运算，针对2048/4096比特等2的幂次方密钥长度，将复杂乘法替换为加法操作，实现31-49%速度提升
- 专用平方函数：针对相同操作数场景优化计算路径
微架构级调优
- SIMD向量化：利用Neon指令集并行处理64位乘法，与标量UMULH指令形成流水线并行
- 双加载策略：通过独立内存加载避免FMOV指令对乘法管道的占用
- 指令调度优化：结合SLOTHY超优化器实现95-120%吞吐提升（实验阶段）
形式化验证体系
- s2n-bignum框架：提供ARM/x86汇编的形式化验证基础设施
- HOL Light定理证明：
- 前置条件验证：内存对齐、参数规范、输入数值约束
- 后置条件保证：输出缓冲区正确存储运算结果
- 状态变更约束：严格限定寄存器/内存修改范围
- 侧信道防护：
- 恒定时间编码规范
- 静态检查与运行时验证相结合
性能数据对比
| 密钥长度(bits) | 基准吞吐(ops/sec) | 优化后吞吐(ops/sec) | 提升幅度 |
|---|---|---|---|
| 2048 | 299 | 541 | 81% |
| 3072 | 95 | 127 | 33.5% |
| 4096 | 42 | 81 | 94.2% |
该成果已集成至某机构加密库AWS-LC及其衍生组件，为安全关键系统提供经数学证明的高效加密原语。当前正持续研究指令调度自动验证与侧信道泄漏的形式化证明方法。