针对现有极化码软输出译码器存在的高资源消耗与低资源效率,设计了一种快速低复杂度软取消(Fast Reduced Complexity Soft-Cancelation,Fast-RCSC)译码算法及其译码器硬件架构。Fast-RCSC算法对内部特殊结点进行完整计算,在减少译码周期的同时仍有较好译码性能。基于不同特殊结点公式之间存在相似性,进而通过对引入的特殊结点模块进行计算结果复用以及计算模块分时复用,减少特殊结点模块资源消耗。通过共用存储单元以及对不足存储单元数据宽度的数据进行合并,降低存储资源消耗。在华润上华(Central Semiconductor Manufacturing Corporation,CSMC)180 nm工艺下综合结果表明,设计的译码器在码长为1 024的情况下,面积为2.92 mm2,资源效率为245.2 Mbps/mm2,相比现有软输出译码器有不同程度的提升。

随着量子计算机的发展,传统加密算法受到严重的威胁。为了对抗量子攻击,同态加密技术引起了关注,其中环错误学习(RLWE)的加密方案具有加密效率高、硬件实现简单等优点,在硬件加密上具有巨大的潜力。本文提出并实现了一种RLWE加解密电路,采用了费马数变换、访存优化和分时复用等方法。实验结果表明,在同等安全参数集下,所提出的RLWE加解密电路的硬件资源效率分别可达到6.01和12.03。

大整数乘法是密态数据计算中最为耗时的基本运算操作, 提高大数乘法单元的计算速度在全同态加密机器学习等应用中尤为重要。提出了一种输入数据位宽为768 kbit的高速大整数乘法器设计方案, 将核心组件64 k点有限域快速数论变换(NTT)分解成16点NTT实现, 并通过算法分治处理, 细化16点NTT的流水线处理过程。采用加法和移位来实现模减计算单元, 并利用高效的无冲突地址生成算法完成数据交互, 实现大整数乘法的高速化。该乘法器最后被部署在Altera Stratix-V FPGA开发板上, 实验结果表明, 电路工作频率为169.23 MHz, 大整数乘法计算总体耗时0.317 ms。对比现有的硬件设计, 在速度性能上有1.2倍至7.3倍的提升。

场矢量探测是量子精密测量的重要分支, 在基础物理、生物医学、材料科学等领域, 都有着广泛的应用。金刚石氮- 空穴(Nitrogen-Vacancy Center)色心作为量子传感器, 在室温下具有较长相干时间, 可以实现纳米尺度的磁场探测。为了实现纳米分辨率的磁场重构, 需要选取金刚石中三个不同轴向的NV色心作为磁场传感器。实验上能否快速和精确地获得NV色心的轴向信息直接决定着矢量磁场测量的精度和效率。本文利用角向偏振光束代替高斯光束激发NV色心获得其扫描荧光图像, 结合卷积神经网络对NV色心的荧光图像进行识别, 提出了一种基于图像匹配的NV色心拟合优化算法, 在梯度下降算法上结合图像识别处理和匹配算法, 优化了NV色心轴向信息的提取过程, 提高了拟合的速度和准确率, 进而增加了磁场矢量重构的效率。