Background. People use the Internet for communication, work, online banking and more. Public-key cryptography enables this use to be secure by providing confidentiality and trust online. Though these algorithms may be secure from attacks from classical computers, future quantum computers may break them using Shor’s algorithm. Post-quantum algorithms are therefore being developed to mitigate this issue. The National Institute of Standards and Technology (NIST) has started a standardization process for these algorithms.

Objectives. In this work, we analyze what specialized features applicable for post-quantum algorithms are available in the mainframe architecture IBM Z. Furthermore, we study the performance of these algorithms on various hardware in order to understand what techniques may increase their performance.

Methods. We apply a literature study to identify the performance characteristics of post-quantum algorithms as well as what features of IBM Z may accommodate and accelerate these. We further apply an experimental study to analyze the practical performance of the two prominent finalists NTRU and Classic McEliece on consumer, cloud and mainframe hardware.

Results. IBM Z was found to be able to accelerate several key symmetric primitives such as SHA-3 and AES via the Central Processor Assist for Cryptographic Functions (CPACF). Though the available Hardware Security Modules (HSMs) did not support any of the studied algorithms, they were found to be able to accelerate them via a Field-Programmable Gate Array (FPGA). Based on our experimental study, we found that computers with support for the Advanced Vector Extensions (AVX) were able to significantly accelerate the execution of post-quantum algorithms. Lastly, we identified that vector extensions, Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) and FPGAs are key techniques for accelerating these algorithms.

Conclusions. When considering the readiness of hardware for the transition to post-quantum algorithms, we find that the proposed algorithms do not perform nearly as well as classical algorithms. Though the algorithms are likely to improve until the post-quantum transition occurs, improved hardware support via faster vector instructions, increased cache sizes and the addition of polynomial instructions may significantly help reduce the impact of the transition.

Bakgrund. Människor använder internet för bland annat kommunikation, arbete och bankärenden. Asymmetrisk kryptering möjliggör att detta sker säkert genom att erbjuda sekretess och tillit online. Även om dessa algoritmer förväntas vara säkra från attacker med klassiska datorer, riskerar framtida kvantdatorer att knäcka dem med Shors algoritm. Därför utvecklas kvantsäkra krypton för att mitigera detta problem. National Institute of Standards and Technology (NIST) har påbörjat en standardiseringsprocess för dessa algoritmer.

Syfte. I detta arbete analyserar vi vilka specialiserade funktioner för kvantsäkra algoritmer som finns i stordator-arkitekturen IBM Z. Vidare studerar vi prestandan av dessa algoritmer på olika hårdvara för att förstå vilka tekniker som kan öka deras prestanda.

Metod. Vi utför en litteraturstudie för att identifiera vad som är karaktäristiskt för kvantsäkra algoritmers prestanda samt vilka funktioner i IBM Z som kan möta och accelerera dessa. Vidare applicerar vi en experimentell studie för att analysera den praktiska prestandan av de två framträdande finalisterna NTRU och Classic McEliece på konsument-, moln- och stordatormiljöer.

Resultat. Vi fann att IBM Z kunde accelerera flera centrala symmetriska primitiver så som SHA-3 och AES via en hjälpprocessor för kryptografiska funktioner (CPACF). Även om befintliga hårdvarusäkerhetsmoduler inte stödde några av de undersökta algoritmerna, fann vi att de kan accelerera dem via en på-plats-programmerbar grind-matris (FPGA). Baserat på vår experimentella studie, fann vi att datorer med stöd för avancerade vektorfunktioner (AVX) möjlggjorde en signifikant acceleration av kvantsäkra algoritmer. Slutligen identifierade vi att vektorfunktioner, applikationsspecifika integrerade kretsar (ASICs) och FPGAs är centrala tekniker som kan nyttjas för att accelerera dessa algortmer.

Slutsatser. Gällande beredskapen hos hårdvara för en övergång till kvantsäkra krypton, finner vi att de föreslagna algoritmerna inte presterar närmelsevis lika bra som klassiska algoritmer. Trots att det är sannolikt att de kvantsäkra kryptona fortsatt förbättras innan övergången sker, kan förbättrat hårdvarustöd för snabbare vektorfunktioner, ökade cachestorlekar och tillägget av polynomoperationer signifikant bidra till att minska påverkan av övergången till kvantsäkra krypton.