各位小伙伴们，是不是等着急了呀！
别急别急，《沐创大讲堂》第十三期如约而至啦
本期我们请到了清华大学的卢思佳博士和黄艺工程师
为大家带来全同态加密芯片设计：从云到端
相信很多人都听过这样一句话：数据是信息时代的石油。然而绝大多数的人，依然没有意识到，自己的数据被忽略的价值。时至今日，当形形色色的社交APP占据了我们的越来越多的空闲时间；当互联网大厂针对用户数据的挖掘不断深入，似乎数据的真正价值开始为人所知。然而，更快到达人们眼前的却是数据泄露、隐私泄露等日益严重的问题。从社交账号不断推送的“你可能感兴趣的人”（推荐算法），到短视频网站背后比你更懂你的大数据（数据孪生），上述现象聚焦到了同一个问题点：我们该如何保护隐私，如何实现隐私计算？从广义上来说，一切你不希望别人知道的数据都可以被称为隐私，它强调的是一种保护；然而计算则强调的是修改，是对数据进行挖掘及修改；因此隐私计算就是对加密数据做计算。
当前，在隐私计算领域有三条主流研究路线：全同态加密、零知识证明和多方安全计算。全同态加密的概念早在1978年就被Rivest提出；直到2009年，Gentry才提出了全同态加密的理论体系；而直到2017年，利用近似计算，全同态加密才逐渐走向实用。那么，到底什么是全同态加密呢？从字面上来看，就是我们要做一种公钥加密，而这种加密在数学上是有同态的，且能做无限次数的任何计算。无论是小红书的“你可能感兴趣的人”推荐，还是打开租房软件后铺天盖地的推销电话，这些隐私泄露问题，在使用了全同态加密技术后，我们原先的明文信息都会转化成对应的密文信息，并上传至服务器端进行计算，计算出来的密文信息传递到我们的手机上进行匹配后，满足了我们最初的诉求，同时我们的隐私数据并没有被泄露。
然而全同态加密在保护用户隐私的同时，也需要付出相应的代价：其存储开销和计算开销都呈现出急剧的增长。因此，全同态加密亟需高效的领域定制加速架构！Part III 面向云端的高能效全栈式全同态密文运算加速器架构设计
由于云端的全同态加密需要支持无限深度的密文乘法，以适应不同应用场景下的需求。“自举”这一概念被提出，基于该操作，理想中的无限乘法次数仿佛唾手可得，但天下没有免费的午餐，额外的运行时间以及快速膨胀的密文大小就是需要付出的代价。这两个代价也恰恰阻碍了全同态加密的进一步部署与实现。随后，云端全同态密文运算的硬件加速自然而然地诞生了。但很快研究人员便发现，庞大的硬件资源消耗接踵而至，芯片的面积功耗巨大无比。在片上存储方面，现有设计资源利用率不足，设计存在冗余，片上SRAM的分配存在也冗余！
由此，高能效紧凑的云端全同态密文运算加速器架构的构想被提出，EFFACT架构应运而生。EFFACT通过编译器与硬件架构的全栈式设计探索，在有限的硬件资源内达到了近似加速极限的加速比，并实现了目前最好的能效。
EFFACT总体架构包含了向量模乘、向量模加、NTT和自同构单元等四大核心的运算单元，每个单元的并行度为1024。而在片上存储方面，EFFACT的片上SRAM则组织成register file的形式，分为32个内存bank，每个bank少于1MB，这32个membank拢共对运算单元和DRAM控制器提供7个读端口和5个写端口。同时，在运算单元的两侧各有一个stream fifo，EFFACT的运算单元可以通过这两个streaming fifo直接同DRAM controller或者其他运算单元进行细粒度的向量数据交换。
无论是架构维度，还是编译维度，亦或是电路维度，EFFACT架构都进行了优化。●优化点一：通过分析不同全同态加密方案的密文运算所涉及的算子，构建了一般化的向量ISA；●优化点二：通过引入运算单元对DRAM直接访问和介于运算单元间的数据传递，消除了减少片上SRAM带来的性能损失；●优化点三：编译器在静态控制指令是否进行流式运算和管理片上SRAM的溢出之外，仍能对硬件参数的挑选进行建模搜索；可以看到，通过上述三个维度的优化，EFFACT架构在面积和功耗的消耗成功减少，在性能上也是比肩甚至优于F1、BTS和MAD这三大架构，体现了更高的资源利用率和效率比。
Part IV 面向端-云协同的可重构全同态加密芯片
针对全同态加密设计中乘法深度提高带来的参数膨胀挑战，该设计中提出了另一条技术路线，即端-云协同的有限级数同态加密（LHE）。但是该技术路线在计算开销、可编程性、存储需求等三个维度又遇到了新的挑战。
为了解决这些研究挑战，报告提出了面向端-云协同的可重构全同态加密芯片。通过这样一个由指令驱动、具有层次化指令结构的、具有三种全同态加密特有的计算功能单元的芯片来对整体的全同态计算进行支持和优化。针对计算开销维度的挑战，该芯片提出了可重构并行计算架构来解决；针对可编程性维度的挑战，该芯片提出了Cache Aware的图优化与图调度来解决；针对存储需求维度的挑战，该芯片提出了片上数据生成的解决方案。
沐创，源于清华，自成立以来一直坚持产学联动，踏踏实实做研究，稳扎稳打出产品；
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