Intel представила экспериментальный процессор Heracles, предназначенный для вычислений над полностью зашифрованными данными. Новый чип демонстрирует ускорение операций полностью гомоморфного шифрования (FHE) до 5000 раз по сравнению с серверными процессорами, что может приблизить практическое применение технологий «вычислений без расшифровки».
Разработка была продемонстрирована на конференции IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) в Сан-Франциско.
Вычисления без раскрытия данных
Полностью гомоморфное шифрование (Fully Homomorphic Encryption, FHE) позволяет выполнять вычисления над данными без их расшифровки. Это означает, что облачный сервис может обрабатывать конфиденциальную информацию — медицинские данные, финансовые записи или запросы к ИИ — не получая к ней прямого доступа.
Теоретически технология известна давно, однако её практическое применение ограничено производительностью. На обычных процессорах вычисления над зашифрованными данными могут занимать в тысячи и даже десятки тысяч раз больше времени, чем работа с обычными данными.
Именно этот барьер и пытаются преодолеть специализированные ускорители.
Архитектура чипа Heracles
Проект Heracles разрабатывался в течение пяти лет в рамках программы DARPA. Чип создан по 3-нм технологии FinFET и значительно превосходит по размеру предыдущие исследовательские ускорители FHE.
Ключевые характеристики:
- 64 вычислительных ядра, организованных в сетку 8×8
- архитектура SIMD для параллельных вычислений
- 48 ГБ памяти высокой пропускной способности (HBM)
- пропускная способность памяти до 819 ГБ/с
- внутренняя сеть передачи данных до 9,6 ТБ/с
Чип работает на частоте 1,2 ГГц и использует жидкостное охлаждение.
Демонстрация ускорения
На ISSCC Intel показала практическую демонстрацию защищённого запроса к базе данных. Сценарий моделировал ситуацию, когда избиратель хочет проверить, был ли учтён его голос, не раскрывая свою личность или содержание бюллетеня.
Процесс выглядел следующим образом:
- пользователь шифрует свой идентификатор и данные голосования;
- сервер выполняет проверку совпадения в зашифрованной базе;
- результат возвращается в зашифрованном виде;
- пользователь расшифровывает ответ локально.
На серверном процессоре Intel Xeon операция занимала 15 миллисекунд, тогда как Heracles выполнял её за 14 микросекунд.
Разница становится особенно заметной на больших объёмах данных. Проверка 100 миллионов бюллетеней заняла бы:
- более 17 дней на CPU
- около 23 минут на Heracles.
Главная проблема FHE — «раздувание» данных
Одной из ключевых сложностей FHE является резкое увеличение размера данных после шифрования. В обычной криптографии размер шифротекста примерно соответствует исходному сообщению. В FHE он может быть на порядки больше.
Кроме того, вычисления выполняются над чрезвычайно большими числами, требующими высокой точности. Такие операции плохо масштабируются на традиционных процессорах и графических ускорителях.
Для ускорения вычислений команда Intel использовала 32-битные арифметические блоки, которые позволяют разбивать огромные числа на параллельно обрабатываемые фрагменты.
Аппаратная гонка FHE
Intel — не единственная компания, работающая над ускорителями гомоморфного шифрования.
Среди других участников гонки:
- Niobium Microsystems — стартап, также выросший из программы DARPA
- Fabric Cryptography
- Cornami
- Optalysys, которая разрабатывает фотонные ускорители
Niobium уже объявила о соглашении с компанией Semifive на разработку ускорителя FHE, который будет производиться на 8-нм техпроцессе Samsung Foundry.
Зашифрованный искусственный интеллект
Одной из ключевых целей для таких ускорителей считается обработка зашифрованных моделей машинного обучения. Это позволит запускать нейросети или языковые модели, не раскрывая данные пользователей или сами модели.
Компания Duality Technology уже продемонстрировала работу трансформерной модели BERT, выполняющей вычисления в режиме FHE.
Однако из-за огромного вычислительного накладного расхода такие системы пока применимы только к относительно небольшим моделям.
Начало новой архитектуры вычислений
Intel пока не объявила о коммерческих планах для Heracles. Тем не менее компания рассматривает этот проект как первый шаг к новой категории вычислительной техники.
По словам руководителей проекта, дальнейшие работы будут сосредоточены на:
- оптимизации программных библиотек FHE
- масштабировании задач машинного обучения
- разработке следующего поколения специализированных ускорителей.
Как отмечают инженеры Intel, появление такого чипа можно сравнить с ранними этапами развития микропроцессоров — это только начало длинного технологического пути.
Источник: https://spectrum.ieee.org/fhe-intel
Больше интересного – на медиапортале https://www.cta.ru/