FPGA-based solutions for secure cryptocurrency wallets and accelerated smart contract execution

Lemayian, Joel Poncha (2025). FPGA-based solutions for secure cryptocurrency wallets and accelerated smart contract execution. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Blockchain technology enables tamper-resistant and transparent data management, but it continues to face pressing challenges related to security and performance. Existing blockchain applications predominantly rely on software-based implementations, which are susceptible to side-channel analysis (SCA) attacks and constrained by the limited efficiency of general-purpose processors. This thesis addresses these challenges by leveraging Field-Programmable Gate Array (FPGA) technology to develop hardware-based solutions that strengthen cryptographic security and accelerate blockchain execution. Three major hardware contributions are presented: an Ethereum hardware wallet resistant to SCA, a hybrid Ethereum–Bitcoin hardware wallet supporting both Hierarchical Deterministic (HD) and Non-Deterministic (ND) modes, and a hardware-accelerated Ethereum Virtual Machine (EVM).

The first contribution, EthVault, introduces the first complete hardware architecture of an Ethereum HD cold wallet and its FPGA implementation. EthVault integrates a side-channel resistant elliptic curve cryptography (ECC) design, the first hardware realization of the child key derivation (CKD) function, and resource-conscious implementations of key cryptographic algorithms, including ECDSA, HMAC-SHA-512, PBKDF2, SECP256K1, elliptic curve point operations, and the Ethereum checksum algorithm, resulting in a secure, compact wallet.

The second contribution, HardVault, presents the first FPGA-based hybrid Ethereum–Bitcoin cold wallet architecture. Supporting both HD and ND key generation methods, HardVault improves resource efficiency by reusing cryptographic primitives common to Ethereum and Bitcoin, including RIPEMD-160, CKD, and SHA-256. This reuse minimizes hardware overhead, enabling a lightweight and energy-efficient solution. A detailed power–performance evaluation further demonstrates HardVault’s superior efficiency, with measurable improvements over commercial wallets such as Trezor One.

The third contribution, EVMx, proposes a single-core FPGA-based EVM that offloads smart contract execution from full and archival nodes to a dedicated hardware accelerator. EVMx preserves full compatibility with the EVM’s stack-based semantics while introducing performance optimizations such as lightweight pipelining, simplified opcode decoding, dynamic corner-case handling, and selective parallelism. Experimental results show significant speedups for both individual opcodes and complete smart contract execution compared to CPU-based and prior FPGA designs. Furthermore, integration strategies are discussed to enable scalable adoption of EVMx within existing Ethereum clients.

Overall, this thesis demonstrates that FPGA-based designs can substantially strengthen blockchain ecosystems by enhancing both security (EthVault and HardVault) and computational performance (EVMx), thereby paving the way for more secure, efficient, and practical blockchain deployments.

Titre traduit

Solutions à base de FPGA pour des portefeuilles de cryptomonnaies sécurisés et l’exécution accélérée de contrats intelligents

Résumé traduit

La technologie blockchain permet une gestion des données transparente et résistante à la falsification, mais elle continue de faire face à des défis majeurs en matière de sécurité et de performance. Les applications blockchain existantes reposent principalement sur des implémentations logicielles, vulnérables aux attaques par canaux auxiliaires (Side-Channel Analysis, SCA) et limitées par l’efficacité restreinte des processeurs généralistes. Cette thèse aborde ces problématiques en exploitant la technologie des Field-Programmable Gate Arrays (FPGA) afin de proposer des solutions matérielles capables de renforcer la sécurité cryptographique et d’accélérer l’exécution dans la blockchain. Trois contributions matérielles principales sont présentées : un portefeuille matériel Ethereum résistant aux attaques SCA, un portefeuille matériel hybride Ethereum–Bitcoin prenant en charge les modes Hiérarchiquement Déterministe (HD) et Non Déterministe (ND), ainsi qu’une Machine Virtuelle Ethereum (EVM) accélérée par FPGA.

La première contribution, EthVault, introduit la première architecture matérielle complète d’un portefeuille Ethereum HD ainsi que son implémentation sur FPGA. EthVault intègre un schéma de cryptographie sur courbes elliptiques (ECC) résistant aux attaques SCA, la première réalisation matérielle de la fonction de dérivation de clé (CKD), ainsi que des implémentations optimisées de plusieurs algorithmes cryptographiques clés, notamment ECDSA, HMAC-SHA-512, PBKDF2, SECP256K1, les opérations sur points de courbes elliptiques, et l’algorithme de somme de contrôle Ethereum. L’ensemble aboutit à un portefeuille sécurisé et compact.

La deuxième contribution, HardVault, présente la première architecture matérielle hybride Ethereum–Bitcoin implémentée sur FPGA. Prenant en charge les modes HD et ND, HardVault améliore l’efficacité en réutilisant des primitives cryptographiques communes aux deux blockchains, telles que RIPEMD-160, CKD et SHA-256. Cette réutilisation réduit considérablement la consommation de ressources matérielles, permettant une solution légère et économe en énergie. Une évaluation détaillée des performances énergétiques démontre en outre la supériorité de HardVault, avec des améliorations mesurables par rapport à des portefeuilles commerciaux comme le Trezor One.

La troisième contribution, EVMx, propose une EVM monocœur basée sur FPGA, conçue pour décharger l’exécution des contrats intelligents des nœuds complets et archivés vers un accélérateur matériel dédié. EVMx conserve une compatibilité totale avec la sémantique et le modèle de pile de l’EVM, tout en intégrant des optimisations de performance telles que la mise en pipeline allégée, la simplification du décodage des opcodes, la gestion dynamique des cas particuliers et l’exploitation sélective du parallélisme. Les résultats expérimentaux montrent des accélérations significatives, tant pour l’exécution d’opcodes individuels que pour celle de contrats intelligents complets, comparativement aux implémentations sur CPU et FPGA antérieures. De plus, des stratégies d’intégration sont discutées afin de permettre l’adoption évolutive d’EVMx au sein des clients Ethereum existants.

Dans l’ensemble, cette thèse démontre que les conceptions basées sur FPGA peuvent considérablement renforcer les écosystèmes blockchain en améliorant à la fois la sécurité (EthVault et HardVault) et les performances computationnelles (EVMx), ouvrant ainsi la voie à des déploiements plus sûrs, plus efficaces et plus pratiques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 177-196).
Mots-clés libres:	blockchain, smart contract, FPGA, cryptocurrency wallet, ethereum virtual machine (EVM), SECP256K1
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Giard, Pascal
Codirecteur:	Codirecteur Zhang, Kaiwen
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	04 mars 2026 15:50
Dernière modification:	04 mars 2026 15:50
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3809

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