DARPA wijst contracten toe aan vier teams voor ASIC-versnellers in volledig homomorfe encryptie

The Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) heeft contracten toegewezen aan vier teams om ASIC-versnellers te ontwikkelen voor volledig homomorfe encryptie (FHE) als onderdeel van het Data Protection in Virtual Environments (DPRIVE)-programma. De vier contracten, toegewezen aan Duality Technologies, Intel, SRI International, en Galois, variëren van $11,5 miljoen tot $15 miljoen, met Intel's bedrag onthuld.

Volledig homomorfe encryptie is de 'Heilige Graal' van encryptietechnologieën

Het 3,5-jarige DPRIVE-programma streeft ernaar berekening op FHE-geëncrypteerde data mogelijk te maken binnen één orde van grootte van de berekeningstijd van huidige ongeëncrypteerde operaties. Volledig homomorfe encryptie stelt algoritmes in staat om direct op geëncrypteerde data te draaien, wat een gedecrypteerd resultaat oplevert dat overeenkomt met wat verkregen zou zijn van ongeëncrypteerde data.

Traditionele encryptieschema's vereisen dat de sleutel gedeeld wordt zodat data gedecrypteerd kan worden voor verwerking, wat een kwetsbaarheid creëert. In tegenstelling, vereist FHE geen sleuteldeeling; de data blijft end-to-end geëncrypteerd.

Commercieel beschikbare homomorfe encryptie ondersteunt meestal alleen optelling van geëncrypteerde getallen. Volledig homomorfe encryptie staat elke wiskundige operatie op geëncrypteerde data toe. Sinds de oprichting in 2009 is de technologie grotendeels impraktisch gebleven vanwege de computationele intensiteit.

"Een berekening die een milliseconde zou duren op een standaard laptop, zou weken duren op een conventionele server die FHE draait vandaag," zei DARPA-programmamanager Tom Rondeau.

"Volledig homomorfe encryptie vereist duizenden FFT's achtereenvolgens, en 500de-orde polynomen met dubbele-precisie drijvende-komma coëfficiënten," legde Cornami CEO Wally Rhines uit. "Dit vereist prestaties ver ver boven de huidige CPU's en GPU's."

Wally Rhines (Afbeelding: Cornami)

Hoewel geen deel van het DPRIVE-programma, heeft Cornami zich gewend van AI-versnelling naar FHE, met de bewering dat het veld momenteel geen concurrenten heeft. Het doel van het bedrijf lijkt op dat van DARPA: FHE naar praktische prestatieniveaus brengen.

Bruikbare FHE zou AI-ontwikkeling transformeren. Meeste AI-training vindt plaats in de cloud, maar privacybezorgingen hinderen het gebruik van gevoelige data in sectoren als financiën en gezondheidszorg. Met ASIC-versnellers voor FHE, zouden bedrijven geëncrypteerde data kunnen uploaden, modellen in de cloud trainen, en alleen gedecrypteerde resultaten downloaden – wat dataprivacy waarborgt terwijl samenwerkend leren over instellingen mogelijk maakt.

Technische uitdagingen

Elk DPRIVE-team moet een hardware-en-software-stack bouwen die FHE-prestaties dicht bij die van ongeëncrypteerde workloads brengt. DARPA vereist dat de ontwerpen flexibel, schaalbaar, en programmeerbaar zijn.

Een kernstrategie is de verkenning van grote rekenwoordgrootten (LAWS). Huidige CPU's gebruiken 64-bit woorden, maar FHE profiteert van veel grotere woordlengtes omdat de signaal-ruis-verhouding verbetert met woordgrootte, wat meer operaties toestaat voordat de ruisdrempel overschreden wordt. Teams worden verwacht woordgroottes tot enkele duizenden bits te onderzoeken.

Het verifiëren van LAWS-circuits is extra uitdagend. Naarmate woordgrootte groeit, wordt de toestandsruimte enorm; eerdere verificatiepogingen time-outen bij 256 bits. Cryptografische circuits eisen rigoureus bewijs van correctheid, wat volledige-circuitverificatie noodzakelijk maakt.

Additioneel onderzoek zal zich richten op nieuwe geheugenbeheer, flexibele datastructuren, en efficiënte programmeermodellen.

Contractontvangers

Duality Technologies

Duality Technologies ontving $14,5 miljoen om een DPRIVE ASIC te ontwikkelen. De startup is gespecialiseerd in FHE-oplossingen voor gereguleerde sectoren zoals financiën en gezondheidszorg, en biedt haar SecurePlus-middleware die analytics op geëncrypteerde data mogelijk maakt. Duality's team omvat experts van de University of Southern California, New York University, Carnegie Mellon, SpiralGen, Drexel University, en TwoSix Labs. De versneller zal integreren met de open-source Palisade FHE-bibliotheek.

Kurt Rohloff (Afbeelding: Duality Technologies)

"Hardware FHE-versnelling is een kwestie van dimensionaliteit en bitbreedte," zei Duality CEO Kurt Rohloff. "We hanteren gevectoriseerde operaties met dimensies in de tienduizenden en verkennen multi-honderd-bit tot multi-duizend-bit woordgroottes."

Intel

Intel's DPRIVE-team omvat Intel Labs, ontwerptechniek, en dataplatformen. Intel heeft een partnership met Microsoft om de ASIC in Azure en Jedi-clouds te deployen en zal samenwerken met internationale standaardisatie-instanties voor FHE-standaarden. Intel claimt dat zijn ASIC FHE-verwerkingstijd kan verminderen met maximaal vijf orders van grootte, hoewel details nog toekomen. Het bedrijf plannet de versneller te evalueren op AI-training en inferentie-workloads met FHE-geëncrypteerde data op schaal.

SRI International

SRI International, een non-profit onderzoeksinstituut, ontving $11,5 miljoen om de FHE-versnelleruitdaging aan te pakken. "Het creëren van een nieuwe hardware-versneller voor FHE-geëncrypteerde data vereist expertise in co-processor-architecturen, hardware-ontwerp, verificatie, software, wiskunde, en FHE-algoritmen," zei SRI-hoofdcwetenschapper Karim Eldefrawy. Hij voegde toe dat de expertise van het team hen in staat stelt om een commercieel haalbare oplossing binnen een paar jaar te leveren.

Galois

Galois, een computerwetenschappelijke R&D-firma die werkt met DARPA en NASA, behaalde een $15,3 miljoen contract om een FHE-versneller te bouwen. Het bedrijf richt zich op asynchroon circuitontwerp, wat elke berekening in zijn eigen snelheid laat draaien, en op een nieuwe dataflow-microarchitectuur die data "just in time" routeert naar onafhankelijke verwerkings-elementen. Galois schat een totale prestatieverbetering van 10.000× over huidige software-gebaseerde FHE-systemen, opgedeeld in hardware-versnelling, asynchrone logica, grote woordgrootte-operaties, geoptimaliseerde dataflow, en geheugentoegangspatronen.

Tijdlijn

DPRIVE is een 42-maanden, drie-fasen programma. Elke fase levert prestatiemetriche die de voortgang naar de volgende stap bepalen. Fase 1 (15 maanden) richt zich op kernlogica en woordgrootte-optimalisatie. Fase 2 (15 maanden) voltooit het versnellerontwerp en geheugenarchitectuur. Fase 3 (12 maanden) levert een volledig functionele, software-programmeerbare ASIC. Het programma wordt verwacht om rond september 2024 te concluderen.

— Dit artikel was oorspronkelijk gepubliceerd op EE Times.

Gerelateerde inhoud:

• IoT-beveiliging – Fysieke en hardware-beveiliging
• Geheugen speelt vitale rol in beveiliging
• MPU-beveiliging bereiken
• IoT-beveiliging – Kritische cryptografische mogelijkheden
• MCU's gebruiken PUF-tech om private-key beveiligingsgap te vullen
• Hoe kwantumcomputing IoT-beveiliging zal beïnvloeden
• Inleiding tot confidential edge computing voor IoT-beveiliging
• Beveiligingscompliance, root of trust, software op embedded world 2021

Voor meer Embedded, abonneer je op Embedded's wekelijkse e-mailnieuwsbrief.