Implementation of an ASCON-Based Cryptographic Hardware Core on FPGA and Open-Source ASIC Design Flow
2026 34th Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU), İstanbul, Türkiye, 7 - 10 Temmuz 2026, ss.1-4, (Tam Metin Bildiri)
- Yayın Türü: Bildiri / Tam Metin Bildiri
- Doi Numarası: 10.1109/siu71813.2026.11636437
- Basıldığı Şehir: İstanbul
- Basıldığı Ülke: Türkiye
- Sayfa Sayıları: ss.1-4
- Marmara Üniversitesi Adresli: Evet
Özet
Bu çalışmada, kaynak kısıtlı güvenli gömülü sistemler için ASCON (Authenticated Encryption and Hashing) tabanlı bir kriptografik donanım çekirdeği tasarlanmış ve gerçeklenmiştir. Önerilen mimari, ASCON permütasyon yapısını temel alan modüler bir yaklaşımla geliştirilmiştir. AEAD (Authenticated Encryption with Associated Data) çekirdeği, permütasyon motoru, round birimi, S-box katmanı ve lineer difüzyon katmanı ayrı işlevsel bloklar halinde düzenlenmiştir. Tasarım, kayıt aktarım seviyesi yaklaşımıyla gerçeklenmiş ve öncelikle benzetim ortamında işlevsel olarak doğrulanmıştır. Ardından tasarım, Nexys A7 üzerinde yer alan Artix-7 XC7A100T FPGA (Field-Programmable Gate Array) platformunda gerçeklenerek donanım düzeyinde test edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre önerilen yapı 846 LUT (Look-Up Table) ve 985 FF (Flip-Flop) kullanmakta, 160 MHz çalışma frekansında yaklaşık 625 Mbps throughput sunmakta ve toplam 133 mW güç tüketmektedir. Bu sonuçlar, tasarımın düşük kaynak kullanımı ile uygulanabilir performans arasında dengeli bir çözüm sunduğunu göstermektedir. FPGA doğrulamasına ek olarak, mimarinin fiziksel gerçekleştirilebilirliği açık kaynak ASIC (ApplicationSpecific Integrated Circuit) tasarım akışı kapsamında da incelenmiştir. Başlangıçta kullanılan paralel yapıda yerleşim ve yönlendirme aşamalarında yoğunluk gözlenmesi üzerine, daha düşük alan maliyetine sahip serileştirilmiş bir mimari tercih edilmiş ve OpenLane akışı başarıyla tamamlanmıştır. Fiziksel tasarım sonuçlarında 0,49 mm² yonga alanı, %33,7 yerleşim yoğunluğu ve ihlalsiz doğrulama çıktıları elde edilmiştir. Sonuç olarak bu çalışma, ASCON tabanlı donanım çekirdekleri için hem FPGA doğrulaması hem de açık kaynak ASIC tasarım akışı kapsamında alan açısından verimli ve fiziksel olarak gerçekleştirilebilir bir çözüm ortaya koymaktadır.
Anahtar Kelimeler — ASCON; hafif kriptografi; FPGA; ASIC tasarımı; donanım güvenliği; gömülü sistemler.
In this study, an ASCON (Authenticated Encryption and Hashing)-based cryptographic hardware core is designed and implemented for resource-constrained secure embedded systems. The proposed architecture is developed using a modular approach based on the ASCON permutation structure. The AEAD (Authenticated Encryption with Associated Data) core, permutation engine, round unit, S-box layer, and linear diffusion layer are organized as separate functional blocks. The design is implemented at the register-transfer level (RTL) and is first functionally verified in a simulation environment. Then, the design is implemented and tested at the hardware level on the Artix-7 XC7A100T FPGA (Field-Programmable Gate Array) available on the Nexys A7 platform. According to the obtained results, the proposed architecture uses 846 LUTs (Look-Up Tables) and 985 FFs (Flip-Flops), provides approximately 625 Mbps throughput at an operating frequency of 160 MHz, and consumes a total power of 133 mW. These results show that the design provides a balanced solution between low resource utilization and practical performance. In addition to FPGA verification, the physical feasibility of the architecture is also investigated using an open-source ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) design flow. Since congestion was observed during the placement and routing stages of the initially used parallel architecture, a serialized architecture with a lower area cost was preferred, and the OpenLane flow was successfully completed. The physical design results show a chip area of 0.49 mm², a placement density of 33.7%, and verification results without violations. As a result, this study presents an area-efficient and physically realizable solution for ASCON-based hardware cores, considering both FPGA verification and an open-source ASIC design flow.
Keywords — ASCON; lightweight cryptography; FPGA; ASIC design; hardware security; embedded systems.