Pendanaan Fed menargetkan enkripsi homomorfik praktis

Badan Proyek Lanjutan Pertahanan AS (Darpa) telah memberikan kontrak kepada empat tim untuk mengembangkan akselerator ASIC untuk enkripsi homomorfik sepenuhnya sebagai bagian dari program perlindungan data di lingkungan virtual (DPRIVE). Empat kontrak telah diberikan kepada tim yang dipimpin oleh Duality Technologies, Intel, SRI International dan Galois. Tiga dari empat bernilai antara $ 11,5 juta hingga $ 15 juta; Intel tidak mengungkapkan jumlah penghargaannya.

Enkripsi homomorfik sepenuhnya adalah "Cawan Suci" teknologi enkripsi

Tujuan dari program DPRIVE 3,5 tahun adalah untuk memungkinkan komputasi pada data terenkripsi FHE dalam satu urutan besarnya waktu komputasi dari komputasi tidak terenkripsi saat ini. Sering disebut sebagai enkripsi “Holy Grail”, enkripsi homomorfik sepenuhnya memungkinkan komputasi dilakukan pada data terenkripsi — ketika hasilnya didekripsi, hasilnya sesuai dengan apa yang akan diperoleh dari algoritme yang sama yang dilakukan pada data yang tidak dienkripsi.

Skema enkripsi yang ada memungkinkan data terenkripsi untuk dibagikan, tetapi kuncinya juga harus dibagikan sehingga data dapat didekripsi untuk melakukan perhitungan dengannya. Hal ini membuat mereka rentan terhadap serangan. Skema enkripsi homomorfik tidak memerlukan pembagian kunci — data dienkripsi dari ujung ke ujung.

Teknik enkripsi homomorfik biasa sudah digunakan secara komersial, tetapi ini biasanya memungkinkan penambahan nomor terenkripsi bersama-sama dan tidak lebih. Enkripsi homomorfik sepenuhnya memungkinkan operasi matematika apa pun dijalankan pada data terenkripsi tanpa dekripsi; skema telah ada sejak 2009 tetapi hingga sekarang, teknologi tersebut belum dapat digunakan di dunia nyata karena sangat intensif secara komputasi.

“Komputasi yang membutuhkan waktu satu milidetik untuk diselesaikan pada laptop standar akan membutuhkan waktu berminggu-minggu untuk dihitung pada server konvensional yang menjalankan FHE hari ini,” kata manajer program Darpa Tom Rondeau, dalam sebuah pernyataan.

CEO Cornami Wally Rhines memberi tahu EE Times tahun lalu bahwa enkripsi homomorfik sepenuhnya membutuhkan "ribuan FFT secara berurutan, dan polinomial urutan 500 dengan koefisien yang merupakan titik mengambang presisi ganda", dan ini akan membutuhkan kinerja CPU dan GPU yang canggih saat ini.

Wally Rhines (Gambar:Cornami)

Cornami, perusahaan rintisan California yang tidak terlibat dalam program DPRIVE, awalnya menerapkan struktur komputasi banyak inti yang dapat dikonfigurasi ulang ke akselerasi AI. Sejak Rhines mengambil alih, perusahaan berfokus pada FHE, bidang di mana “tidak ada pesaing,” kata Rhines saat itu. Seperti upaya Darpa, tujuan Cornami adalah mempercepat FHE ke tingkat yang dapat digunakan.

Implikasi dari teknologi FHE yang dapat digunakan akan luar biasa untuk bidang seperti AI. Saat ini, sebagian besar pelatihan AI berlangsung di cloud, tetapi masalah privasi tidak memungkinkan perusahaan di beberapa aplikasi utama (keuangan dan perawatan kesehatan, misalnya) untuk mengirim data ke cloud. Dengan akselerator ASIC masa depan untuk FHE, perusahaan riset medis atau perusahaan rintisan fintech dapat mengunggah data terenkripsi ke cloud, melatih model AI dengannya, dan mengunduh hasilnya, mendekripsi hasilnya hanya setelah kembali ke internal dengan aman. Data juga dapat dikumpulkan – seperti data medis dari rumah sakit yang berbeda – masing-masing pihak mempertahankan privasi data mereka, tetapi AI tetap dapat mempelajarinya.

Kata-kata besar

Tantangan bagi setiap tim peneliti dalam program DPRIVE adalah mengembangkan perangkat keras dan perangkat lunak untuk mempercepat komputasi FHE sehingga sebanding dengan operasi data tidak terenkripsi serupa. Persyaratan Darpa untuk perangkat keras mencakup fleksibilitas, skalabilitas, dan kemampuan program.

Salah satu pendekatan utama yang akan diambil tim adalah eksplorasi ukuran kata aritmatika besar (LAWS). Desain CPU saat ini didasarkan pada kata 64-bit, tetapi FHE membutuhkan panjang kata yang lebih panjang. Rasio signal-to-noise untuk data terenkripsi berhubungan langsung dengan ukuran kata; kata yang lebih panjang berarti lebih sedikit noise yang terakumulasi setiap kali perhitungan FHE diproses. Ini berarti lebih banyak perhitungan dapat dilakukan sebelum ambang batas kebisingan yang tidak dapat diperbaiki tercapai (di luar itu data tidak dapat lagi dipulihkan). Tim diharapkan untuk menjelajahi ukuran kata hingga ribuan bit.

Verifikasi sirkuit LAWS sangat sulit, karena ruang keadaan sirkuit menjadi sangat besar. Dokumen tender Darpa mengatakan bahwa upaya verifikasi sebelumnya pada pengganda ukuran kata besar habis waktu ketika ukuran kata mencapai 256 bit. Sirkuit kriptografi memiliki beban pembuktian yang tinggi untuk kebenaran matematis, yang memerlukan verifikasi sirkuit penuh.

Tim juga akan mengeksplorasi pendekatan baru untuk manajemen memori, struktur data yang fleksibel, dan model pemrograman.

Teknologi Ganda

Duality Technologies telah dianugerahi $14.5m oleh Darpa untuk DPRIVE. Perusahaan ini adalah perusahaan rintisan yang membantu perusahaan yang terikat peraturan (kebanyakan di bidang keuangan dan medis) untuk berbagi data yang dienkripsi secara homomorfik. Duality telah menyediakan platform komersial berdasarkan FHE, seperti SecurePlus, platform middlewarenya yang memungkinkan perusahaan mengenkripsi data dan kemudian menjalankan analitik pada data terenkripsi, di server perusahaan sendiri, atau di cloud.

Kurt Rohloff (Gambar:Duality Technologies)

“[Akselerasi FHE Perangkat Keras] adalah masalah dimensi dan lebar bit,” kata CEO Duality Kurt Rohloff kepada EE Times dalam sebuah wawancara tahun 2019. “Kita berurusan dengan operasi vektor dan dimensi vektor biasanya dalam urutan puluhan ribu… 16.000 atau 32.000 dimensi cukup standar dalam kasus ini. Kami telah melakukan cukup banyak pekerjaan pada operasi 64-bit, tetapi saya dapat dengan mudah melihat kami beralih ke ukuran kata multi-ratus-bit atau bahkan multi-ribu-bit.”

Untuk kontrak DPRIVE, Duality telah mengumpulkan tim ahli dari University of Southern California Information Sciences Institute, New York University, Carnegie Mellon University, SpiralGen, Drexel University, dan TwoSix Labs. Akselerator perangkat keras yang dikembangkan tim ini akan sepenuhnya terintegrasi dengan pustaka FHE sumber terbuka Palisade.

Intel

Intel juga telah bergabung dengan program DPRIVE, dengan tim yang mencakup Intel Labs, grup teknik desain Intel, dan grup platform data perusahaan. Intel telah bermitra dengan Microsoft, yang akan memimpin penyebaran komersial dari Intel ASIC yang dihasilkan dengan mengujinya di awan Azure dan Jedi mereka. Kedua perusahaan juga akan bekerja dengan badan standar internasional untuk standar FHE.

Intel mengatakan ASIC masa depannya berpotensi mengurangi waktu untuk memproses kriptogram FHE dengan "lima kali lipat," meskipun tidak memberikan petunjuk tentang bagaimana rencananya untuk mencapai hal ini. Perusahaan tersebut mengatakan bahwa pihaknya berencana untuk menilai kemajuan akselerator FHE ASIC pada pelatihan AI dan beban kerja inferensi menggunakan data terenkripsi FHE dalam skala besar, selama proses berlangsung – mungkin memberi kami petunjuk tentang bagaimana teknologi tersebut digunakan dalam aplikasi komersial.

SRI Internasional

Tim ketiga berasal dari lembaga penelitian nirlaba SRI International, yang dianugerahi $11,5 juta sebagai bagian dari program. Perusahaan tersebut mengatakan telah mengumpulkan tim peneliti dan insinyur kelas dunia untuk menghadapi tantangan tersebut.

“Membuat akselerator perangkat keras baru untuk data terenkripsi FHE adalah tantangan teknis unik yang memerlukan keahlian dalam arsitektur co-prosesor, desain perangkat keras, verifikasi perangkat keras, perangkat lunak, matematika, dan algoritme FHE dengan bantuan komputer,” kata Karim Eldefrawy, ilmuwan komputer utama di SRI Internasional, dalam sebuah pernyataan. “Dengan tim peneliti kelas kata yang telah kami kumpulkan untuk proyek ini, kami yakin bahwa dalam beberapa tahun kami dapat mengembangkan solusi perangkat keras yang layak yang akan membuat pemrosesan data FHE menjadi praktis dan layak secara komersial untuk sejumlah besar aplikasi.”

Galois

Perusahaan R&D ilmu komputer Galois telah bekerja dengan banyak entitas pemerintah AS, termasuk Darpa dan NASA, untuk memecahkan masalah teknologi yang sulit. Perusahaan telah mendapatkan kontrak senilai $15.3 juta untuk mengembangkan akselerator FHE oleh DPRIVE.

Galois berencana untuk fokus pada desain sirkuit asinkron yang akan memungkinkan setiap komputasi berjalan secepat mungkin, daripada dibatasi oleh kasus terburuk, serta menciptakan mikroarsitektur aliran data baru yang dirancang untuk mengarahkan data "tepat pada waktunya" ke operasi independen elemen pemrosesan.

Galois yakin peningkatan kinerja keseluruhan 10.000X layak dibandingkan dengan sistem FHE berbasis perangkat lunak saat ini. Perusahaan merinci peningkatan kinerja yang diharapkan sebagai berikut:

• 300X dari akselerasi perangkat keras berbasis ASIC
• 2X atau lebih dari penggunaan asinkron alih-alih logika clock
• 10X dari operasi ukuran kata aritmatika besar di perangkat keras, tanpa perlunya representasi sistem bilangan residu yang berat
• 5X dari pendekatan aliran data yang dioptimalkan yang memaksimalkan pemanfaatan unit fungsional aritmatika
• 2X dari pola akses memori dan vektorisasi yang dioptimalkan.

Skala waktu

DPRIVE adalah program tiga fase, 42 bulan, dengan metrik kinerja yang harus dicapai pada akhir setiap fase untuk memungkinkan kemajuan ke fase berikutnya. Tidak diharapkan semua tim akan melanjutkan melewati fase satu.

Selama 15 bulan fase satu, tim akan menghasilkan logika inti dari desain akselerator FHE, mengoptimalkan ukuran kata, dan meniru blok penyusun sirkuit. Fase dua, juga 15 bulan, akan melihat tim menyelesaikan desain akselerator FHE berdasarkan blok bangunan dari fase 1, bersama dengan arsitektur memori. Selama fase tiga tahun, tim akan membangun akselerator FHE yang berfungsi dan dapat digunakan, lengkap dengan kemampuan program perangkat lunak penuh.

Program DPRIVE akan selesai sekitar September 2024.

>> Artikel ini awalnya diterbitkan pada situs saudara kami, EE Times.

---

Konten Terkait:

• Keamanan IoT – Keamanan fisik dan perangkat keras
• Memori memainkan peran penting dalam keamanan
• Mencapai keamanan MPU
• Keamanan IoT – Kemampuan kriptografi penting
• MCU menggunakan teknologi PUF untuk mengisi celah keamanan kunci pribadi
• Bagaimana komputasi kuantum akan memengaruhi keamanan IoT
• Pengantar komputasi tepi rahasia untuk keamanan IoT
• Kepatuhan keamanan, akar kepercayaan, perangkat lunak di dunia tersemat 2021

Untuk lebih banyak Tertanam, berlangganan buletin email mingguan Tersemat.