[논문 리뷰] SAILOR: A Scalable and Energy-Efficient Ultra-Lightweight RISC-V for IoT Security

Christian Ewert, Tim Hardow외 6명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 27.

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한 줄 요약

SAILOR는 직렬화된 데이터 경로를 기반으로 IoT용으로 확장 가능한 초경량 RV32I 코어와 스칼라 암호화(Zkn–Zkt) 확장을 도입하여, 최첨단 설계 대비 최대 13×의 성능/에너지 이득과 최대 59%의 면적 감소를 달성합니다.

ABSTRACT

Recently, RISC-V has contributed to the development of IoT devices, requiring architectures that balance energy efficiency, compact area, and integrated security. However, most recent RISC-V cores for IoT prioritize either area footprint or energy efficiency, while adding cryptographic support further compromises compactness. As a result, truly integrated architectures that simultaneously optimize efficiency and security remain largely unexplored, leaving constrained IoT environments vulnerable to performance and security trade-offs. In this paper, we introduce SAILOR, an energy-efficient and scalable ultra-lightweight RISC-V core family for cryptographic applications in IoT. Our design is modular and spans 1-, 2-, 4-, 8-, 16-, and 32-bit serialized execution data-paths, prioritizing minimal area. This modular design and adaptable data-path minimizes the overhead of integrating RISC-V cryptography extensions, achieving low hardware cost while significantly improving energy efficiency. We validate our design approach through a comprehensive analysis of area, energy, and efficiency trade-offs. The results surpass state-of-the-art solutions in both performance and energy efficiency by up to 13x and reduce area by up to 59 %, demonstrating that lightweight cryptographic features can be added without prohibitive overhead, and that energy- or area-efficient designs need not compromise performance.

연구 동기 및 목표

• 에너지 효율적이고 컴팩트한 암호화를 통합하되 면적 증가가 큰 벽을 넘지 않는 IoT 프로세서의 필요성을 해결한다.
• 확장 가능한 직렬화 데이터 경로(1-, 2-, 4-, 8-, 16-, 32비트)와 경량 암호화 확장을 갖춘 소면적, 에너지 효율적인 RISC-V 코어 패밀리를 개발한다.
• Zkn–Zkt 암호화 확장을 원활하게 통합하면서 기본 RV32I 호환성과 모듈화를 유지한다.
• 타이밍 사이드 채널 취약성을 완화하고 면적, 에너지, 성능의 균형을 맞추는 구성 가능한 하드웨어 확장을 제공한다.

제안 방법

• 직렬화된 데이터 경로(1-에서 32비트까지)와 기본 RV32I 인터페이스를 갖춘 모듈식 RV32I 코어 패밀리인 SAILOR를 제안한다.
• 최소한의 하드웨어 오버헤드를 가진 Zkn–Zkt( Zkne/Zknd를 통한 AES, Zknh를 통한 SHA-2, Zbkb를 통한 비트 조작) 경량 암호화 확장을 통합한다.
• 데이터 청크를 처리하기 위한 Serializer1/Serializer2와 ALU를 사용하여 확장 가능한 데이터 경로 폭과 구동 가능한 시프트를 가능하게 한다.
• 인스트럭션 페치 버퍼와 단순한 분기 예측기를 추가하여 면적을 낮게 유지하면서 인스트럭션 처리량을 향상시킨다.
• 모듈식으로 암호화 확장 지원을 구현하고 ALU, Loader/Store, Serializer 등 기존 RV32I 모듈을 재사용하여 오버헤드를 최소화한다.
• RISC-V Torture Test 및 Spike 시뮬레이터 시그니처로 설계를 검증하고, 1-, 2-, 4-, 8-, 16-, 32비트 직렬 경로에 걸쳐 45nm 오픈셀 라이브러리와 Design Compiler를 사용해 면적 결과를 합성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직렬화된 데이터 경로 폭(1–32비트)이 SAILOR 코어의 면적, 에너지, 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 직렬화된 RV32I 코어에 Zkn–Zkt 암호화 확장을 통합하는 데 따른 면적/에너지 오버헤드는 어느 정도인가?
• RQ3 암호화 작업부에 대해 면적, 성능, 에너지 효율성 측면에서 SAILOR가 최첨단 직렬화 및 비직렬화 RV32I 코어와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 가볍지만 상수시간 실행(Zkt)과 같은 보안 특성을 유지하면서 면적 오버헤드를 최소화하여 경량 암호화 확장을 통합할 수 있는가?

주요 결과

• SAILOR 코어는 최첨단 설계 대비 최대 13×의 성능 및 에너지 효율 향상을 보여준다.
• 직렬 구성은 면적 오버헤드가 미미하며(1.10%~2.55%), 더 넓은 경로(32비트)가 1비트 직렬 코어에 비해 면적을 2.32% 감소시킨다.
• Zkn–Zkt 암호화 확장을 통합하면 구성에 따라 면적이 5.54%에서 62.61% 증가하며, 전체 Zkn–Zkt는 32비트 코어의 경우 최대 38.8% 면적 증가를 보인다.
• 직렬화된 아키텍처는 전체 32비트 설계에 비해 유리한 면적 트레이드오프를 가진 암호화 하드웨어를 효율적으로 지원한다.
• PicoRV32와 비교할 때 16비트 직렬화와 32비트 전체 경로가 각각 15.49%와 21.26% 면적 감소를 달성하며 암호화 확장을 가능하게 한다.
• 완전한 Zkn–Zkt 구성의 면적 오버헤드는 직렬화 폭에 관계없이 관리 가능하며 면적-성과-보안의 균형 트레이드오프를 지원한다.