DARPA vergibt Aufträge an vier Teams für ASIC-Beschleuniger bei vollhomomorpher Verschlüsselung

Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) hat Aufträge an vier Teams vergeben, um ASIC-Beschleuniger für vollhomomorphe Verschlüsselung (FHE) im Rahmen ihres Data Protection in Virtual Environments (DPRIVE) Programms zu entwickeln. Die vier Verträge, an Duality Technologies, Intel, SRI International und Galois, reichen von 11,5 bis 15 Millionen Dollar, wobei Intels Zuschusshöhe nicht bekannt gegeben wurde.

Vollhomomorphe Verschlüsselung ist der „Heilige Gral“ der Verschlüsselungstechnologien

Das 3,5-jährige DPRIVE-Programm zielt darauf ab, Berechnungen auf FHE-verschlüsselten Daten innerhalb einer Größenordnung der Rechenzeit aktueller unverschlüsselter Operationen zu ermöglichen. Vollhomomorphe Verschlüsselung erlaubt Algorithmen, direkt auf verschlüsselten Daten zu laufen und ein entschlüsseltes Ergebnis zu produzieren, das dem von unverschlüsselten Daten entspricht.

Traditionelle Verschlüsselungsverfahren erfordern den Schlüsselaustausch, damit Daten zur Verarbeitung entschlüsselt werden können, was eine Schwachstelle schafft. Im Gegensatz dazu benötigt FHE keinen Schlüsselaustausch; die Daten bleiben Ende-zu-Ende verschlüsselt.

Kommerziell verfügbare homomorphe Verschlüsselung unterstützt typischerweise nur Addition verschlüsselter Zahlen. Vollhomomorphe Verschlüsselung erlaubt jede mathematische Operation auf verschlüsselten Daten. Seit ihrer Entstehung 2009 blieb die Technologie aufgrund ihrer rechnerischen Intensität weitgehend unpraktikabel.

„Eine Berechnung, die auf einem Standard-Laptop eine Millisekunde dauern würde, könnte auf einem konventionellen Server, der heute FHE ausführt, Wochen dauern“, sagte DARPA-Programmmanager Tom Rondeau.

„Vollhomomorphe Verschlüsselung erfordert tausende FFTs sequenziell und 500. Ordnungs-Polynome mit doppelt präzisen Gleitkomma-Koeffizienten“, erklärte Cornami CEO Wally Rhines. „Das verlangt Performance weit über heutigen CPUs und GPUs.“

Wally Rhines (Bild: Cornami)

Obwohl nicht Teil des DPRIVE-Programms, hat Cornami von KI-Beschleunigung auf FHE umgeschwenkt und behauptet, das Feld habe derzeit keine Wettbewerber. Das Ziel des Unternehmens stimmt mit DARPA überein: FHE auf praktikable Performance-Level zu bringen.

Nutzbares FHE würde die KI-Entwicklung transformieren. Die meisten KI-Trainings finden in der Cloud statt, aber Datenschutzbedenken behindern die Nutzung sensibler Daten in Sektoren wie Finanzen und Gesundheitswesen. Mit ASIC-Beschleunigern für FHE könnten Unternehmen verschlüsselte Daten hochladen, Modelle in der Cloud trainieren und nur entschlüsselte Ergebnisse herunterladen – wodurch Datenschutz gewahrt bleibt und kollaboratives Lernen über Institutionen hinweg ermöglicht wird.

Technische Herausforderungen

Jedes DPRIVE-Team muss einen Hardware-und-Software-Stack bauen, der FHE-Performance nahe an unverschlüsselte Workloads bringt. DARPA verlangt, dass die Designs flexibel, skalierbar und programmierbar sind.

Eine Kernstrategie ist die Erforschung großer arithmetischer Wortbreiten (LAWS). Aktuelle CPUs nutzen 64-Bit-Wörter, aber FHE profitiert von viel größeren Wortlängen, da das Signal-Rausch-Verhältnis mit der Wortgröße verbessert wird und mehr Operationen vor Erreichen des Rauschschwellenwerts erlaubt sind. Teams sollen Wortgrößen bis zu mehreren tausend Bits untersuchen.

Die Verifikation von LAWS-Schaltungen ist besonders herausfordernd. Mit wachsender Wortgröße wird der Zustandsraum enorm; frühere Verifikationsversuche scheiterten bei 256 Bits durch Timeout. Kryptografische Schaltungen erfordern rigorose Korrektheitsbeweise, was eine Full-Circuit-Verifikation notwendig macht.

Zusätzliche Forschung zielt auf neuartiges Speichermanagement, flexible Datenstrukturen und effiziente Programmiermodelle ab.

Auftragsempfänger

Duality Technologies

Duality Technologies erhielt 14,5 Millionen Dollar für die Entwicklung eines DPRIVE ASIC. Das Startup spezialisiert sich auf FHE-Lösungen für regulierte Sektoren wie Finanzen und Gesundheitswesen und bietet seine SecurePlus-Middleware an, die Analysen auf verschlüsselten Daten ermöglicht. Dualitys Team umfasst Experten von der University of Southern California, New York University, Carnegie Mellon, SpiralGen, Drexel University und TwoSix Labs. Der Beschleuniger wird in die Open-Source-Palisade-FHE-Bibliothek integriert.

Kurt Rohloff (Bild: Duality Technologies)

„Hardware-FHE-Beschleunigung ist eine Frage von Dimensionalität und Bitbreite“, sagte Duality CEO Kurt Rohloff. „Wir behandeln vektorisierte Operationen mit Dimensionen im Zehntausender-Bereich und erforschen multi-hundert-bis multi-tausend-Bit Wortgrößen.“

Intel

Intels DPRIVE-Team spannt Intel Labs, Design Engineering und Data Platforms. Intel hat mit Microsoft zusammengearbeitet, um den ASIC in Azure und Jedi Clouds einzusetzen und wird mit internationalen Standardisierungsgremien zu FHE-Standards kooperieren. Intel behauptet, sein ASIC könnte die FHE-Verarbeitungszeit um bis zu fünf Größenordnungen reduzieren, Details stehen noch aus. Das Unternehmen plant, den Beschleuniger auf KI-Training und Inferenz-Workloads mit FHE-verschlüsselten Daten im großen Maßstab zu evaluieren.

SRI International

SRI International, ein gemeinnütziges Forschungsinstitut, erhielt 11,5 Millionen Dollar für die FHE-Beschleuniger-Herausforderung. „Die Schaffung eines neuen Hardware-Beschleunigers für FHE-verschlüsselte Daten erfordert Expertise in Ko-Prozessor-Architekturen, Hardware-Design, Verifikation, Software, Mathematik und FHE-Algorithmen“, sagte SRI Principal Computer Scientist Karim Eldefrawy. Er fügte hinzu, dass die Expertise des Teams sie in Position bringe, innerhalb weniger Jahre eine kommerziell tragfähige Lösung zu liefern.

Galois

Galois, ein Informatik-F&E-Unternehmen, das mit DARPA und NASA zusammenarbeitet, sicherte sich einen 15,3 Millionen Dollar Vertrag für den Bau eines FHE-Beschleunigers. Das Unternehmen fokussiert sich auf asynchrone Schaltungsdesign, das jeder Berechnung erlaubt, mit eigener Geschwindigkeit zu laufen, und auf eine neue Data-Flow-Mikroarchitektur, die Daten „just in time“ zu unabhängigen Verarbeitungselementen routet. Galois schätzt eine Gesamtleistungsverbesserung von 10.000× über aktuelle softwarebasierte FHE-Systeme, aufgeteilt in Hardware-Beschleunigung, asynchrone Logik, große Wortgrößen-Operationen, optimierten Data Flow und Speicherzugriffsmuster.

Zeitplan

DPRIVE ist ein 42-monatiges, dreiphasiges Programm. Jede Phase liefert Performance-Metriken, die den Übergang zur nächsten Stufe bestimmen. Phase 1 (15 Monate) fokussiert Kernlogik und Wortgrößen-Optimierung. Phase 2 (15 Monate) vervollständigt Beschleuniger-Design und Speicherarchitektur. Phase 3 (12 Monate) liefert einen voll funktionsfähigen, software-programmierbaren ASIC. Das Programm soll voraussichtlich um September 2024 abgeschlossen sein.

— Dieser Artikel wurde ursprünglich auf EE Times veröffentlicht.

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