Un procesador de alta potencia para encriptación de vanguardia

Los avances recientes en criptografía han permitido algo emocionante: los algoritmos ahora pueden realizar cálculos directos en datos cifrados gracias al cifrado totalmente homomórfico (FHE).

¿Qué significa esto y por qué es emocionante? Tradicionalmente, los datos confidenciales están encriptados y, para que se puedan utilizar para cualquier tipo de análisis o cálculo, es necesario que no estén encriptados. Mientras está en el estado no cifrado, se realiza el análisis o el cálculo y, una vez que se completa, los datos confidenciales se vuelven a cifrar.

«El problema con esos esquemas es que, inevitablemente, hay una falla en el proceso y alguien puede husmear y ver el procesamiento sin cifrar, o alguien se olvida de volver a cifrarlo», dijo Matthew French, director de investigación del Instituto de Ciencias de la Información de la USC Viterbi ( ISI), que describe algunas vulnerabilidades potenciales del cifrado tradicional.

Durante la última década, ha habido avances revolucionarios en los algoritmos que dieron como resultado FHE, que permite el cálculo directamente en datos cifrados. «Con FHE, ya no es necesario descifrar y volver a cifrar los datos, lo que da como resultado un sistema mucho más seguro», dijo French.

¿Cuál es el truco?

Poder computacional. FHE necesita una cantidad significativamente mayor de poder de cómputo para realizar operaciones equivalentes a las operaciones sin cifrar. Órdenes de magnitud mayores. FHE requiere aproximadamente 100 000 veces más cómputo que los enfoques tradicionales, por lo que, para que sea útil, FHE debe cerrar la brecha de cómputo.

French y su equipo aceptaron el desafío. «Nuestro coprocesador, cuyo nombre en código es TREBUCHET, aborda este problema mediante el desarrollo de hardware informático personalizado para acelerar el procesamiento FHE con el objetivo de obtener velocidades de procesamiento diez veces superiores a las tradicionales», dijo French.

Su artículo resultante, TREBUCHET: Acelerador de cifrado totalmente homomórfico para computación profunda, fue aceptado recientemente para presentación oral en el Conferencia de tecnología crítica y aplicaciones de microcircuitos gubernamentales de 2023 (GOMACTech-23) en San Diego, California.

un esfuerzo de equipo

TREBUCHET fue desarrollado para el Programa DPRIVE (Protección de Datos en Entornos Virtuales) de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA). El equipo incluye instalaciones de investigación privadas y varias instituciones académicas. Duality Technologies es la principal, junto con el ISI de USC Viterbi y el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Ming Hsieh, la Universidad de Nueva York, la Universidad Carnegie Mellon, SpiralGen Inc., la Universidad de Drexel y Two Six Technologies.

David Bruce Cousins, director de Duality Labs e investigador principal de TREBUCHET, dijo: «Los miembros del equipo de Duality han estado apoyando la innovación y la aplicación de FHE financiadas por DARPA durante más de una década. Algunos miembros de nuestro equipo desarrollaron el primer prototipo de aceleradores de hardware HE bajo DARPA programa PROCEED a partir de 2010.»

Continuó: «ISI es un socio ideal en TREBUCHET, aportando una gran experiencia en el desarrollo de ASIC personalizados para problemas difíciles de DARPA. Dichos proyectos siempre requieren soluciones creativas para requisitos desafiantes, que pueden cambiar durante el programa».

Se trata de un problema de hardware.

Las computadoras tradicionales funcionan con datos de 64 bits. FHE requiere algo mucho más grande que eso (128 a 4096 bits). Además, todas las matemáticas se realizan utilizando aritmética modular (donde los números «se ajustan» al alcanzar una cantidad fija dada para dejar un resto). Esto significaba que el equipo tendría que volver a trabajar significativamente en la arquitectura de la computadora. Y cualquier cambio que se hiciera, tenía que hacerse dentro de los límites de la fabricación moderna de chips.

El equipo desarrolló un nuevo diseño de chip basado en mosaicos con Unidades Aritméticas Lógicas (ALU) altamente paralelas para responder al problema. Expandieron la ALU para admitir palabras de datos más amplias; se agregaron circuitos aritméticos de módulo rápido; se ampliaron las redes en chip; y se rediseñaron la arquitectura y la gestión de la memoria.

El coprocesador TREBUCHET proporciona un acelerador FHE altamente modular, flexible y extensible diseñado para una fácil reconfiguración, implementación, integración y aplicación en una amplia gama de tamaños de chips. Y proporciona órdenes de magnitud de rendimiento en tiempo de ejecución más rápido que otras soluciones.

Privacidad, privacidad, privacidad

El cómputo seguro es fundamental para el Departamento de Defensa, en todas las instituciones financieras, atención médica y en cualquier lugar donde se acceda a información de identificación personal. Lo que significa que desbloquear el poder de cómputo para permitir FHE tendrá un gran impacto.

French ofreció un ejemplo en el campo de la medicina, donde los datos de los pacientes podrían compartirse más fácilmente de forma segura para ayudar a acelerar la investigación en temas de salud pública, investigación del cáncer, etc.

«Si desea compartir los datos de COVID-19 que los Institutos Nacionales de Salud tienen sobre los pacientes, al usar FHE no tiene que preocuparse por el cumplimiento de HIPAA. Las personas pueden hacer todos sus análisis directamente en los datos mientras están encriptados, y no Preocúpese de que los datos confidenciales de las personas salgan a la luz».

Otra área de interés proviene del sector de investigación de delitos financieros. French dijo: «Hemos visto mucho interés en el área de delitos financieros porque existe la preocupación de que una vez que comienzas a buscar a ciertas personas para ver si están lavando dinero, tienen información privilegiada que les está informando y luego se mueven». el dinero.» Registrar a esas personas que usan FHE evitaría el chivatazo.

Continuó: «Trebuchet incluso podría respaldar la supervisión y el control seguros de nuestros modernos sistemas de redes y comunicaciones y la red eléctrica».

¿Qué sigue para TREBUCHET?

El programa DARPA DPRIVE completó recientemente una selección descendente competitiva, y el equipo TREBUCHET fue uno de los tres seleccionados para la Fase 2. La primera fase del proyecto se concentró en desarrollar una ALU personalizada capaz de acelerar las operaciones de FHE. La segunda fase se centrará en escalar esto al nivel completo del dispositivo.

«Llevar el cómputo casi en tiempo real de las aplicaciones FHE tendrá un impacto dramático. Creo que solo estamos rascando la superficie con los tipos de aplicaciones que se beneficiarían. A medida que se lanza TREBUCHET, permitirá una mayor investigación y desarrollo en el lado de la aplicación como extremo». los usuarios podrán experimentar de manera más amplia. Algunos de mis colegas en otras divisiones de ISI están tan emocionados que llaman a mi puerta casi todas las semanas preguntando cuándo estarán listos los chips para poder comenzar a usarlos «, dijo French.