嵌入式系統刻不容緩的安全升級

后量子密碼學

量子計算時代加速到來，嵌入式系統該如何提前布局？后量子密碼學(PQC) 已不再是"未來話題"，而是當下必須行動的安全戰略。

最近，有很多關于量子計算機的討論，和任何新興技術一樣，圍繞量子計算仍有許多未解之謎：量子處理單元 (QPU) 會取代當今使用的高端CPU嗎？QPU會取代神經處理單元(NPU)和通用圖形處理單元(GPGPU)嗎？目前, 這些都還難以預測。

然而，量子比特技術正在飛速演進，并且已經開始對當今技術產生實實在在的影響——包括全新的網絡安全隱憂。這種影響同樣延伸到了嵌入式計算領域。讓我們來看看當前形勢、量子計算對邊緣嵌入式計算的影響，以及為什么后量子密碼學需要現在就部署。

01量子計算的崛起

當前的QPU仍然體積龐大、性能脆弱，需要低溫冷卻或超穩定光子系統等特殊環境。這項技術并不容易使用，但速度極快。最近一份公開研究顯示，谷歌的Willow量子處理單元執行特定算法的速度比"標準"超級計算機快13,000倍。

這種性能水平將持續提升，為增強仿真(分子結構與反應模擬、藥物發現、蛋白質建模)、機器學習和密碼學帶來巨大機遇。

而最后一點——密碼學的進化——可預見這將對嵌入式計算產生潛在影響的領域。

02面向未來的嵌入式系統：后量子密碼學

QPU帶來的新密碼學能力是一把雙刃劍——取決于如何使用。當"黑暗勢力"獲得QPU訪問權限時 (這可能已經正在發生)，破解被盜加密數據將變得更快、更容易。

嵌入式計算機系統具有長生命周期和長運行時間，必須針對量子計算即將帶來的風險進行加固。這意味著需要為其配備安全硬件元件、固件更新機制、信任根架構以及最新的通信協議。這些策略的關鍵組成部分就是實施后量子密碼學(PQC)算法。

RSA和ECC等公鑰密碼算法特別容易受到未來大規模量子攻擊的威脅。為應對這一挑戰，美國國家標準與技術研究院(NIST)制定了一套后量子密碼學標準(FIPS 203、FIPS 204和FIPS 205)，旨在保護廣泛的電子信息安全，抵御未來量子計算機的威脅。其核心理念是：各組織現在就應該開始應用這些標準。

目前已有多種基于這些標準的PQC算法可以立即實施，以確保面向未來的安全性：

03實施PQC算法的要求

PQC算法的計算需求更高，導致內存、功耗和帶寬需求增加。這意味著需要進行升級，處理關鍵數據的舊系統可能需要盡快升級。同時，在某些情況下，軟件補丁只有在現有硬件足夠強大以處理更重加密負載時才可行。此外，任何新設計都必須考慮未來升級的潛在需求。

對于基于SMARC、COM Express或COM-HPC等計算機模塊(COM)標準構建的應用來說，這是一項直接簡單的任務。這些模塊化構建塊允許輕松升級到最新技術，無需完全重新設計系統。如果所選COM通過了IEC 62443-4-1認證，還可以確保更安全的開發生命周期。

現在可以做什么？

最終，量子計算何時成為主流尚不明確。我們確定知道的是：靜態、不靈活的硬件將難以跟上所需的防御機制。最明智的前進路徑是現在就采用模塊化理念。通過優先選擇支持無縫性能升級和認證安全的架構，您將確保嵌入式系統不僅能夠應對當前威脅，還具備足夠的韌性迎接未來的量子現實。