[논문 리뷰] TREBUCHET: Fully Homomorphic Encryption Accelerator for Deep Computation

David Bruce Cousins, Yuriy Polyakov외 22명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 11.

Cryptography and Data Security인용 수 4

한 줄 요약

TREBUCHET는 깊은 계산에서 높은 성능을 달성하기 위해 병렬 128비트 모듈로 산술 유닛을 갖춘 새로운 타일 기반 아키텍처를 활용하는 완전 암호화(FHE)용 하드웨어 가속기이다. 이는 표준화된 FHE 스킴(BGV, BFV, CKKS, FHEW)을 ≥128비트 보안 수준에서 가속화하며, PALISADE 및 OpenFHE와 같은 오픈소스 라이브러리와 통합되어 암호화되지 않은 연산에 비해 10배 이내의 계산 갭을 줄인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 완전 암호화(FHE)와 암호화되지 않은 계산 간의 성능 격차를 해소하여 FHE를 실세계 워크로드에 실용적으로 만들기 위해.
• 도메인 특화 하드웨어를 사용하여 ≥128비트 보안 수준에서 표준화된 FHE 스킴(BGV, BFV, CKKS, FHEW)을 가속화하기 위해.
• SoC와 같은 다양한 하드웨어 플랫폼에 통합 가능한 모듈식, 재구성 가능하고 확장 가능한 코프로세서 아키텍처를 설계하기 위해.
• 처리 전반에 걸쳐 데이터를 암호화된 상태로 유지함으로써 비밀스러운 개인정보(PII)를 보호하고, 방위, 금융, 헬스케어와 같은 분야에서 신뢰할 수 없는 시스템에서도 안전한 계산을 가능하게 하기 위해.
• 이론적 FHE 보안과 실용적 구현 간 격차를 해소하기 위해 암호화되지 않은 연산 대비 10배 이내의 성능 오버헤드를 달성하기 위해.

제안 방법

• TREBUCHET 코프로세서는 FHE 연산에 핵심적인 128비트 모듈로 산술 연산을 최적화한 고도로 병렬화된 산술논리단위(ALU)를 갖춘 타일 기반 칩 설계를 사용한다.
• BGV, BFV, CKKS, FHEW를 포함한 여러 FHE 스킴에서 효율적으로 동작하는 동작을 수행하기 위해 고유한 데이터 경로와 제어 논리를 구현한다.
• 동적 재구성 및 모듈식 확장 기능을 지원하여 SoC 플랫폼과 같은 다양한 하드웨어 형상에 배포가 가능하다.
• 기존 방위 및 산업 응용 분야에서 사용되는 FHE 소프트웨어 스택과의 호환성을 확보하기 위해 오픈소스 PALISADE 및 OpenFHE 라이브러리와 네이티브로 통합된다.
• 파ip라인 처리 및 데이터플로우 최적화를 통해 저지연, 고처리량의 동작 실행을 강조한다.
• 표준화된 파rameter 세트와 사이드 채널 저항 구현 기법을 통해 ≥128비트 보안 수준을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도메인 특화 하드웨어 가속기를 통해 깊이 있는 학습 및 안전한 데이터 처리에 대해 FHE의 성능 격차를 암호화되지 않은 계산에 비해 10배 이내로 줄일 수 있는가?
• RQ2 다양한 표준화된 FHE 스킴을 고도로 보안 보장과 함께 지원할 수 있는 확장성 있고 재구성 가능한 코프로세서 아키텍처를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 FHE 동작 전반에 걸쳐 128비트 모듈로 산술 연산을 효율적으로 실행하기 위해 어떤 하드웨어 최적화된 데이터 경로와 제어 구조가 필요한가?
• RQ4 PALISADE 및 OpenFHE와 같은 오픈소스 FHE 라이브러리와의 통합을 통해 TREBUCHET 가속기의 실세계 구현 가능성을 얼마나 높일 수 있는가?
• RQ5 TREBUCHET의 타일 기반 모듈식 설계가 다양한 하드웨어 플랫폼과 향후 FHE 워크로드에 대한 확장성과 어떻게 연계되는가?

주요 결과

• TREBUCHET는 소프트웨어 기반 FHE 실행 대비 최대 10배의 성능 향상을 달성하여 깊은 계산에 대한 계산 격차를 크게 줄였다.
• 가속기는 ≥128비트 보안 수준을 유지하면서도 주요 표준화된 FHE 스킴인 BGV, BFV, CKKS, FHEW를 모두 지원한다.
• 타일 기반 아키텍처는 고도의 병렬성과 FHE 성능에 핵심적인 128비트 모듈로 산술 연산의 효율적 활용을 가능하게 한다.
• PALISADE 및 OpenFHE 라이브러리와 네이티브로 통합되어 방위 및 산업 분야에서 사용되는 기존 FHE 파이프라인에 원활하게 통합된다.
• 모듈식이고 재구성 가능한 설계를 통해 SoC 및 고유 칩 영역과 같은 다양한 하드웨어 플랫폼에 적응 가능하다.
• 대규모 FHE에 대한 하드웨어 가속의 실현 가능성을 입증하여 기밀성이 중요한 응용 분야에서의 실용적 구현을 위한 길을 열었다.