DARPA заключила контракты с четырьмя командами на ASIC-ускорители для полной гомоморфной шифровки

Агентство передовых исследовательских проектов обороны (DARPA) присудило контракты четырём командам для разработки ASIC-ускорителей для полной гомоморфной шифровки (FHE) в рамках программы Data Protection in Virtual Environments (DPRIVE). Четыре контракта, присуждённые Duality Technologies, Intel, SRI International и Galois, варьируются от $11,5 млн до $15 млн, сумма контракта Intel не раскрывается.

Полная гомоморфная шифровка — «Святой Грааль» технологий шифрования

3,5-летняя программа DPRIVE нацелена на обеспечение вычислений на FHE-зашифрованных данных в пределах одного порядка времени вычислений текущих незашифрованных операций. Полная гомоморфная шифровка позволяет алгоритмам работать непосредственно на зашифрованных данных, производя расшифрованный результат, совпадающий с результатом операций над открытыми данными.

Традиционные схемы шифрования требуют обмена ключом для расшифровки данных перед обработкой, создавая уязвимость. В отличие от этого, FHE не требует обмена ключом; данные остаются зашифрованными от конца до конца.

Коммерчески доступная гомоморфная шифровка обычно поддерживает только сложение зашифрованных чисел. Полная гомоморфная шифровка разрешает любые математические операции на зашифрованных данных. С момента изобретения в 2009 году технология оставалась в основном непрактичной из-за вычислительной интенсивности.

«Вычисление, которое заняло бы миллисекунду на обычном ноутбуке, может занять недели на обычном сервере под FHE сегодня», — сказал менеджер программы DARPA Том Рондо.

«Полная гомоморфная шифровка требует тысяч последовательных БПФ и 500-порядковых полиномов с коэффициентами двойной точности с плавающей точкой», — объяснил CEO Cornami Уолли Райнс. «Это требует производительности далеко за пределами современных CPU и GPU».

Уолли Райнс (Изображение: Cornami)

Хотя не являясь частью программы DPRIVE, Cornami переориентировалась с AI-ускорения на FHE, утверждая, что в этой области сейчас нет конкурентов. Цель компании совпадает с целью DARPA: привести FHE к практически приемлемым уровням производительности.

Практически применимая FHE трансформировала бы разработку AI. Большинство обучения AI происходит в облаке, но проблемы приватности препятствуют использованию чувствительных данных в таких секторах, как финансы и здравоохранение. С ASIC-ускорителями для FHE компании могли бы загружать зашифрованные данные, обучать модели в облаке и скачивать только расшифрованные результаты — обеспечивая приватность данных при совместном обучении между учреждениями.

Технические вызовы

Каждая команда DPRIVE должна построить стек hardware-and-software, приближающий производительность FHE к незашифрованным рабочим нагрузкам. DARPA требует, чтобы дизайны были гибкими, масштабируемыми и программируемыми.

Одна из ключевых стратегий — исследование больших арифметических разрядностей (LAWS). Современные CPU используют 64-битные слова, но FHE выигрывает от гораздо больших длины слов, так как отношение сигнал/шум улучшается с размером слова, позволяя больше операций до превышения шумового порога. Команды должны исследовать размеры слов до нескольких тысяч бит.

Верификация схем LAWS особенно сложна. По мере роста размера слова пространство состояний становится огромным; предыдущие попытки верификации таймаутились на 256 битах. Криптографические схемы требуют строгого доказательства корректности, необходима полная верификация схемы.

Дополнительные исследования нацелены на новое управление памятью, гибкие структуры данных и эффективные модели программирования.

Получатели контрактов

Duality Technologies

Duality Technologies получила $14,5 млн для разработки ASIC DPRIVE. Стартап специализируется на FHE-решениях для регулируемых секторов — финансов и здравоохранения, предлагая middleware SecurePlus для аналитики на зашифрованных данных. Команда Duality включает экспертов из USC, NYU, Carnegie Mellon, SpiralGen, Drexel University и TwoSix Labs. Ускоритель интегрируется с открытой библиотекой Palisade FHE.

Курт Рохлофф (Изображение: Duality Technologies)

«Аппаратное ускорение FHE — вопрос размерности и битности», — сказал CEO Duality Курт Рохлофф. «Мы работаем с векторизованными операциями размерностью в десятки тысяч и исследуем битности от сотен до тысяч бит».

Intel

Команда DPRIVE Intel охватывает Intel Labs, дизайн-инженерию и дата-платформы. Intel партнёрится с Microsoft для развёртывания ASIC в Azure и Jedi clouds и будет сотрудничать с международными стандартизационными органами по стандартам FHE. Intel заявляет, что их ASIC может снизить время обработки FHE до пяти порядков, детали пока не раскрываются. Компания планирует оценить ускоритель на рабочих нагрузках обучения и вывода AI с FHE-зашифрованными данными в масштабе.

SRI International

SRI International, некоммерческий исследовательский институт, получил $11,5 млн для решения задачи FHE-ускорителя. «Создание нового аппаратного ускорителя для FHE-зашифрованных данных требует экспертизы в ко-процессорных архитектурах, аппаратном дизайне, верификации, ПО, математике и FHE-алгоритмах», — сказал главный научный сотрудник SRI Карим Эльдефрави. Он добавил, что экспертиза команды позиционирует их для доставки коммерчески жизнеспособного решения в ближайшие годы.

Galois

Galois, R&D-фирма по компьютерным наукам, работающая с DARPA и NASA, получила контракт $15,3 млн на построение FHE-ускорителя. Компания фокусируется на асинхронном схемотехническом дизайне, позволяющем каждому вычислению работать на своей скорости, и на новой микроархитектуре data-flow, маршрутизирующей данные «just in time» к независимым вычислительным элементам. Galois оценивает общий прирост производительности в 10 000× над текущими software-based FHE-системами, разбитый на аппаратное ускорение, асинхронную логику, операции с большими словами, оптимизированный data flow и паттерны доступа к памяти.

Временная шкала

DPRIVE — 42-месячная, трёхфазная программа. Каждая фаза доставляет метрики производительности, определяющие переход к следующей стадии. Фаза 1 (15 месяцев) фокусируется на ядерной логике и оптимизации размера слова. Фаза 2 (15 месяцев) завершает дизайн ускорителя и архитектуру памяти. Фаза 3 (12 месяцев) доставляет полностью функциональный, программируемый по ПО ASIC. Программа ожидается к завершению около сентября 2024 года.

— Эта статья изначально публиковалась на EE Times.

---

Связанный контент:

• IoT Security – Физическая и аппаратная безопасность
• Память играет жизненную роль в безопасности
• Достижение безопасности MPU
• IoT Security – Критические криптографические возможности
• MCU используют PUF-технологию для закрытия пробелов в безопасности приватных ключей
• Как квантовые вычисления повлияют на IoT безопасность
• Введение в confidential edge computing для IoT безопасности
• Security compliance, root of trust, software at embedded world 2021

Для получения большего контента по Embedded подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded.