DARTPHROG: Un acelerador homomórfico superescalar

Área de la Ciencia:

• Ciencias de la computación
• Criptografía
• Arquitectura de hardware

Sus antecedentes:

• El cifrado totalmente homomórfico (FHE) permite el intercambio seguro de datos con servidores externos, abordando las violaciones de datos y las preocupaciones de privacidad.
• Las implementaciones actuales de FHE sufren limitaciones de rendimiento significativas en comparación con la criptografía convencional.

Objetivo del estudio:

• Introducir DARTPHROG (Dynamic AcceleRaTor for Parallel Homomorphic pROGrams), una nueva arquitectura diseñada para acelerar las operaciones FHE.
• Evaluar el rendimiento y la eficiencia de DARTPHROG, en particular sus capacidades superescalares y el nuevo sistema de reducción modular optimizada por hardware (HOM-R).

Principales métodos:

• Diseñado DARTPHROG, una arquitectura superescalar que permite la ejecución paralela de operaciones homomórficas.
• Integró el sistema de reducción modular optimizada por hardware (HOM-R), comparando su eficiencia con la reducción de Barrett y Montgomery.
• Implementó un ensamblador, un conjunto de instrucciones basado en THUMB y un procesador homomórfico en un FPGA.
• Evaluación superescalar realizada de operaciones homomórficas excluyendo la Transformación Teórica de Números (NTT).

Principales resultados:

• Se han logrado aceleraciones de hasta 1860x para operaciones FHE primitivas (adición, resta, multiplicación) a través de la ejecución en paralelo.
• DARTPHROG funciona con un bajo consumo de energía de 40,5 W, posicionándolo como una arquitectura de aceleración FHE compacta.
• Demostró la eficiencia del sistema HOM-R en comparación con los métodos tradicionales de reducción.

Conclusiones:

• DARTPHROG ofrece un avance significativo en la aceleración FHE a través de su diseño superescalar y componentes de hardware eficientes.
• La arquitectura proporciona una valiosa línea de base para evaluar el impacto de la NTT en los sistemas FHE.
• Presenta un camino hacia implementaciones de FHE más prácticas y eficientes para mejorar la seguridad de los datos.