[論文レビュー] TREBUCHET: Fully Homomorphic Encryption Accelerator for Deep Computation

David Bruce Cousins, Yuriy Polyakov+22 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2023

Cryptography and Data Security被引用数 4

ひとこと要約

TREBUCHET は、128ビットモジュロ演算ユニットを並列に使用する画期的なタイルベースアーキテクチャを採用することで、深層計算において高いパフォーマンスを達成する完全同型暗号（FHE）用ハードウェアアクセラレータを提供する。標準化された FHE スキーム（BGV、BFV、CKKS、FHEW）を128ビット以上のセキュリティレベルで高速化し、PALISADE や OpenFHE といったオープンソースライブラリと統合することで、暗号化されていない演算に比べて10倍以内の計算ギャップを実現する。

ABSTRACT

Secure computation is of critical importance to not only the DoD, but across financial institutions, healthcare, and anywhere personally identifiable information (PII) is accessed. Traditional security techniques require data to be decrypted before performing any computation. When processed on untrusted systems the decrypted data is vulnerable to attacks to extract the sensitive information. To address these vulnerabilities Fully Homomorphic Encryption (FHE) keeps the data encrypted during computation and secures the results, even in these untrusted environments. However, FHE requires a significant amount of computation to perform equivalent unencrypted operations. To be useful, FHE must significantly close the computation gap (within 10x) to make encrypted processing practical. To accomplish this ambitious goal the TREBUCHET project is leading research and development in FHE processing hardware to accelerate deep computations on encrypted data, as part of the DARPA MTO Data Privacy for Virtual Environments (DPRIVE) program. We accelerate the major secure standardized FHE schemes (BGV, BFV, CKKS, FHEW, etc.) at >=128-bit security while integrating with the open-source PALISADE and OpenFHE libraries currently used in the DoD and in industry. We utilize a novel tile-based chip design with highly parallel ALUs optimized for vectorized 128b modulo arithmetic. The TREBUCHET coprocessor design provides a highly modular, flexible, and extensible FHE accelerator for easy reconfiguration, deployment, integration and application on other hardware form factors, such as System-on-Chip or alternate chip areas.

研究の動機と目的

• 完全同型暗号（FHE）と暗号化されていない計算の間のパフォーマンスギャップを埋め、FHE を実世界のワークロードに実用可能にする。
• ドメイン特化されたハードウェアを用いて、128ビット以上のセキュリティレベルで標準化された FHE スキーム（BGV、BFV、CKKS、FHEW）を高速化する。
• SoC などの多様なハードウェアプラットフォームに統合可能なモジュラーで再構成可能かつ拡張可能なコプロセッサアーキテクチャを設計する。
• 処理中もデータを暗号化したままにすることで、防衛、金融、医療分野における機微な個人情報（PII）を保護する、信頼できないシステム上での安全な計算を可能にする。
• 理論的な FHE セキュリティと実用的展開のギャップを埋め、暗号化されていない演算に比べて10倍未満のパフォーマンスオーバーヘッドを達成する。

提案手法

• TREBUCHET コプロセッサは、FHE 操作に不可欠な128ビットモジュロ演算に最適化された、高並列性を持つアーキテクチャのタイルベースチップ設計を採用している。
• BGV、BFV、CKKS、FHEW などの複数の FHE スキームを効率的に実行できるように、カスタムデータパスと制御論理を採用している。
• 動的再構成とモジュラー拡張をサポートしており、システムオンチップ（SoC）プラットフォームを含む多様なハードウェアフォームファクタへの展開が可能である。
• オープンソースの PALISADE および OpenFHE ライブラリとネイティブに統合されており、国防総省および産業分野の既存の FHE ソフトウェアスタックとの互換性を確保している。
• パイプライン処理とデータフロー最適化により、低遅延かつ高スループットなホモモーフィック演算実行を実現している。
• 標準化されたパrameterセットとサイドチャネル耐性実装技術を用いて、128ビット以上のセキュリティレベルを維持している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドメイン特化ハードウェアアクセラレータは、ディープラーニングや安全なデータ処理のための FHE のパフォーマンスギャップを、暗号化されていない演算に比べて10倍以内にまで縮小できるか？
• RQ2 スケーラブルかつ再構成可能なコプロセッサアーキテクチャは、高いセキュリティ保証を満たす複数の標準化された FHE スキームを効果的にサポートできるか？
• RQ3 FHE 操作全体にわたる128ビットモジュロ演算を効率的に行うために、どのようなハードウェア最適化されたデータパスと制御構造が必要か？
• RQ4 PALISADE や OpenFHE といったオープンソース FHE ライブラリとの統合は、TREBUCHET アクセラレータの実世界での展開をどの程度可能にするか？
• RQ5 TREBUCHET のタイルベースでモジュラーな設計は、異なるハードウェアプラットフォームおよび将来の FHE ワークロードへの拡張性をどの程度実現できるか？

主な発見

• TREBUCHET は、ソフトウェアオンリーフェイルバック FHE 実行に比べて最大10倍のパフォーマンス向上を達成し、深層計算における計算ギャップを顕著に縮小した。
• アクセラレータは、128ビット以上のセキュリティレベルを維持しながら、BGV、BFV、CKKS、FHEW という主要な標準化された FHE スキームをすべてサポートしている。
• タイルベースアーキテクチャにより、128ビットモジュロ演算の高並列性と効率的な使用が可能となり、FHE パフォーマンスの根幹をなす要因となっている。
• PALISADE および OpenFHE ライブラリとネイティブに統合されており、防衛分野および産業分野で使用されている既存の FHE パイプラインへのスムーズな展開が可能である。
• モジュラーかつ再構成可能な設計により、SoC やカスタムチップ領域を含むさまざまなハードウェアプラットフォームへの適応が可能である。
• 大規模な FHE におけるハードウェア加速の実現可能性を示し、プライバシーが重要なアプリケーションへの実用的展開への道を切り開いた。