湖北大學網絡空間安全學院宋銳團隊在《中國科學: 信息科學》發表論文《面向窄帶物聯網的ZUC算法緊湊硬件實現》，針對物聯網領域網絡安全威脅與設備資源受限的雙重挑戰，提出一種基于ASIC平臺的低面積ZUC算法硬件實現方案，通過時序復用、門控時鐘等核心技術，在保持高吞吐率的同時將電路面積開銷降低44%，為窄帶物聯網設備提供了高效安全的密碼解決方案。

　　窄帶物聯網(NB-IoT)作為支持海量設備接入的低功耗廣域網技術，在5G海量機器類通信場景中應用廣泛，但設備資源有限的特性對密碼算法的硬件實現提出了嚴苛的面積與功耗要求。ZUC算法作為3GPP標準中的核心加密算法，其傳統硬件實現多側重吞吐率優化，存在面積開銷過大、難以適配資源受限設備的問題。

　　為解決這一痛點，團隊從四大核心環節進行優化設計。在電路架構上，采用時序復用策略，確保每個功能模塊僅實例化一次，最大化降低硬件資源占用;創新提出同構映射矩陣搜索算法，結合塔域分解思想設計S盒，其中S1-box面積與先進AES算法S盒相當，S0-box較傳統查找表實現面積縮減86%。在線性變換部分，通過MDS矩陣拆解技術，僅用164個異或門即可完成線性層實現，較現有方案減少6%的邏輯門消耗。在加法鏈設計上，采用進位存儲加法器與中間寄存器組合架構，實現線性反饋移位寄存器層與有限狀態自動機層的加法鏈共享，進一步優化電路結構。

　　同時，團隊引入門控時鐘技術，通過精細化時鐘管理減少寄存器與時鐘網絡的冗余功耗，同時替代傳統電路中的選擇器，實現面積與功耗的雙重優化。在TSMC 90nm工藝下的驗證結果顯示，該方案在250MHz時鐘頻率下吞吐率可達2Gbps，面積開銷僅6.67kGE;在Fast工藝條件下，工作頻率可提升至1GHz，吞吐率達8Gbps，面積僅增至7.0kGE。

　　該研究突破了傳統ZUC算法硬件實現的面積瓶頸，其緊湊化設計完美適配窄帶物聯網設備的資源約束特性，可廣泛應用于智能家居、工業物聯網等海量低功耗設備場景。該方案的落地將有效提升窄帶物聯網系統的安全防護能力，為大規模物聯網設備部署提供可靠的加密技術支撐，對推動物聯網安全產業的輕量化發展具有重要意義。