美國國防高級計劃局 (Darpa) 已向四個團隊授予合同，以開發(fā)用于完全同態(tài)加密的 ASIC 加速器，作為其虛擬環(huán)境中數(shù)據(jù)保護 (DPRIVE) 計劃的一部分。這四份合同已授予 Duality Technologies、英特爾、SRI International 和 Galois 領(lǐng)導的團隊。四人中的三人價值在 1150 萬至 1500 萬美元之間；英特爾沒有透露其獎勵金額。

3.5 年 DPRIVE 計劃的目標是在當前未加密計算的計算時間的一個數(shù)量級內(nèi)實現(xiàn)對 FHE 加密數(shù)據(jù)的計算。通常被稱為加密的“圣杯”，完全同態(tài)加密允許對加密數(shù)據(jù)進行計算——當結(jié)果被解密時，它與對未加密數(shù)據(jù)執(zhí)行相同算法的結(jié)果相匹配。

現(xiàn)有的加密方案允許共享加密數(shù)據(jù)，但也必須共享密鑰，以便可以解密數(shù)據(jù)以執(zhí)行計算。這使他們?nèi)菀资艿焦?。同態(tài)加密方案不需要共享密鑰——數(shù)據(jù)是端到端加密的。

普通同態(tài)加密技術(shù)已經(jīng)在商業(yè)上使用，但這些通常允許將加密數(shù)字加在一起，僅此而已。全同態(tài)加密允許對加密數(shù)據(jù)進行任何數(shù)學運算而無需解密；方案自 2009 年以來就已經(jīng)存在，但到目前為止，該技術(shù)尚未在現(xiàn)實世界中使用，因為它的計算量非常大。

Darpa 項目經(jīng)理 Tom Rondeau 在一份聲明中說：“在標準筆記本電腦上完成的計算需要數(shù)周才能在運行 FHE 的傳統(tǒng)服務(wù)器上計算?！?/p>

Cornami 首席執(zhí)行官Wally Rhines去年告訴EE Times，完全同態(tài)加密需要“連續(xù)數(shù)以千計的 FFT，以及系數(shù)為雙精度浮點的 500 次多項式”，這將需要許多倍于當今狀態(tài)的性能。 -藝術(shù) CPU 和 GPU。

Wally Rhines（圖片來源：Cornami）

Cornami 是一家未參與 DPRIVE 計劃的加州初創(chuàng)公司，最初將其可重新配置的多核計算結(jié)構(gòu)應(yīng)用于 AI 加速。自萊茵斯掌舵以來，該公司專注于 FHE，這是一個“沒有競爭對手”的領(lǐng)域，萊茵斯當時表示。與 Darpa 的努力一樣，Cornami 的目標是將 FHE 加速到可用水平。

可用的 FHE 技術(shù)對人工智能等領(lǐng)域的影響將是巨大的。如今，絕大多數(shù) AI 培訓都在云端進行，但出于隱私考慮，一些關(guān)鍵應(yīng)用（例如金融和醫(yī)療保健）的公司無法將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。借助未來用于 FHE 的 ASIC 加速器，醫(yī)學研究公司或金融科技初創(chuàng)公司可以將加密數(shù)據(jù)上傳到云端，用它訓練 AI 模型并下載結(jié)果，只有在結(jié)果安全返回內(nèi)部后才能解密結(jié)果。數(shù)據(jù)也可以被匯集——例如來自不同醫(yī)院的醫(yī)療數(shù)據(jù)——每一方都保留他們的數(shù)據(jù)隱私，但人工智能無論如何都能從中學習。

大字

DPRIVE 計劃中每個研究團隊面臨的挑戰(zhàn)是開發(fā)硬件和軟件堆棧來加速 FHE 計算，使其與類似的未加密數(shù)據(jù)操作相媲美。Darpa 對硬件的要求包括靈活性、可擴展性和可編程性。

團隊將采取的關(guān)鍵方法之一是探索大算術(shù)字長 (LAWS)。當前的 CPU 設(shè)計基于 64 位字，但 FHE 需要更長的字長。加密數(shù)據(jù)的信噪比與字長直接相關(guān)；更長的詞意味著每次處理 FHE 計算時累積的噪聲更少。這意味著在達到無法修復的噪聲閾值之前可以執(zhí)行更多的計算（超出該閾值的數(shù)據(jù)將無法再恢復）。預(yù)計團隊將探索高達數(shù)千位的字長。

LAWS 電路的驗證特別困難，因為電路狀態(tài)空間變得難以管理。Darpa 的招標文件稱，當字長達到 256 位時，之前對大字長乘法器的驗證嘗試超時。密碼電路對數(shù)學正確性有很高的證明責任，這需要全電路驗證。

團隊還將探索內(nèi)存管理、靈活數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和編程模型的新方法。

對偶技術(shù)

Duality Technologies 已獲得 Darpa 1450 萬美元的 DPRIVE 獎勵。該公司是一家?guī)椭鼙O(jiān)管的公司（主要是金融和醫(yī)療領(lǐng)域）共享同態(tài)加密數(shù)據(jù)的初創(chuàng)公司。Duality 已經(jīng)提供了基于 FHE 的商業(yè)平臺，例如 SecurePlus，它的中間件平臺允許公司加密數(shù)據(jù)，然后在公司自己的服務(wù)器或云中對加密數(shù)據(jù)進行分析。

Kurt Rohloff（圖片：Duality Technologies）

“[硬件 FHE 加速] 是維度和位寬的問題，”Duality 的首席執(zhí)行官Kurt Rohloff在 2019 年的一次采訪中告訴EE Times。“我們正在處理向量化操作，向量的維度通常在數(shù)萬左右……在這種情況下，16,000 或 32,000 維度是相當標準的。我們已經(jīng)在 64 位操作上做了相當多的工作，但我可以很容易地看到我們將達到數(shù)百位甚至數(shù)千位的字長?！?/p>

對于 DPRIVE 合同，Duality 組建了一支來自南加州大學信息科學研究所、紐約大學、卡內(nèi)基梅隆大學、SpiralGen、德雷塞爾大學和 TwoSix Labs 的專家團隊。該團隊開發(fā)的硬件加速器將與 Palisade 開源 FHE 庫完全集成。

英特爾

英特爾還加入了 DPRIVE 計劃，其團隊橫跨英特爾實驗室、英特爾的設(shè)計工程組和公司的數(shù)據(jù)平臺組。英特爾已與微軟合作，后者將通過在其 Azure 和 Jedi 云中對其進行測試來領(lǐng)導由此產(chǎn)生的英特爾 ASIC 的商業(yè)部署。兩家公司還將與國際標準機構(gòu)合作制定 FHE 標準。

英特爾表示，其未來的 ASIC 可能會將處理 FHE 密碼的時間減少“五個數(shù)量級”，盡管它沒有給出任何計劃如何實現(xiàn)這一目標的暗示。該公司表示，它計劃在整個過程中使用 FHE 加密數(shù)據(jù)大規(guī)模評估其 FHE 加速器 ASIC 在 AI 訓練和推理工作負載方面的進展——或許可以向我們暗示它如何看待該技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用中的使用。

SRI 國際

第三個團隊來自非營利性研究機構(gòu) SRI International，作為該計劃的一部分，該機構(gòu)獲得了 1150 萬美元的獎勵。該公司表示，它已經(jīng)組建了一支由研究人員和工程師組成的世界級團隊來迎接挑戰(zhàn)。

“為 FHE 加密數(shù)據(jù)創(chuàng)建新的硬件加速器是一項獨特的技術(shù)挑戰(zhàn)，需要協(xié)處理器架構(gòu)、硬件設(shè)計、硬件、軟件、數(shù)學和 FHE 算法的計算機輔助驗證方面的專業(yè)知識，”首席計算機科學家 Karim Elderawy 說。 SRI 國際，在一份聲明中?！坝辛宋覀?yōu)檫@個項目組建的世界級研究人員團隊，我們有信心在幾年內(nèi)開發(fā)出可行的硬件解決方案，使 FHE 數(shù)據(jù)處理在大量應(yīng)用程序中具有實用性和商業(yè)可行性。”

伽羅瓦

計算機科學研發(fā)公司 Galois 已經(jīng)與許多美國政府實體合作，包括美國國防情報局和美國國家航空航天局，以解決棘手的技術(shù)問題。該公司獲得了一份價值 1530 萬美元的合同，由 DPRIVE 開發(fā) FHE 加速器。

審核編輯 黃昊宇