DARPA、完全同型暗号向けASICアクセラレータ開発で4チームと契約

国防高等研究計画局（DARPA）は、Data Protection in Virtual Environments（DPRIVE）プログラムの一環として、完全同型暗号（FHE）向けASICアクセラレータの開発で4チームと契約を結びました。Duality Technologies、Intel、SRI International、Galoisの4社への契約額は1,150万ドルから1,500万ドルの範囲で、Intelの契約額は非公開です。

完全同型暗号は暗号技術の「聖杯」

3.5年間のDPRIVEプログラムは、FHE暗号化データ上での計算を、現在の非暗号化操作の計算時間の1オーダー以内で実現することを目指しています。完全同型暗号では、アルゴリズムを暗号化データ上で直接実行でき、非暗号化データから得られる結果と一致する復号結果を生成します。

従来の暗号方式では、データを復号して処理するために鍵を共有する必要があり、脆弱性を生み出します。対照的に、FHEでは鍵共有が不要で、データはエンドツーエンドで暗号化されたままです。

市販の同型暗号は通常、暗号化された数値の加算のみをサポートします。完全同型暗号では、暗号化データ上で任意の数学演算が可能です。2009年の発明以来、計算強度の高さから実用的ではありませんでした。

「標準的なラップトップで1ミリ秒かかる計算が、従来のサーバでFHEを実行すると数週間かかる可能性があります」と、DARPAプログラムマネージャーのTom Rondeau氏は述べています。

「完全同型暗号には、数千回のFFTを逐次実行し、倍精度浮動小数点係数を持つ500次の多項式が必要です。これは、今日のCPUとGPUを遥かに超える性能を要求します」と、Cornami CEOのWally Rhines氏は説明しています。

Wally Rhines氏（画像: Cornami）

DPRIVEプログラムの一部ではないものの、CornamiはAIアクセラレーションからFHEへピボットし、現在この分野に競合がないと主張しています。同社の目標はDARPAと一致しており、FHEを実用的なパフォーマンスレベルに引き上げることです。

実用的なFHEはAI開発を変革します。ほとんどのAIトレーニングはクラウドで行われますが、プライバシー懸念が金融や医療などの分野での機密データ利用を妨げています。FHE向けASICアクセラレータがあれば、企業は暗号化データをアップロードし、クラウドでモデルをトレーニングし、復号された結果のみをダウンロードできるようになります。これにより、データプライバシーを確保しながら機関間の協調学習が可能になります。

技術的課題

各DPRIVEチームは、FHEパフォーマンスを非暗号化ワークロードに近づけるハードウェア・ソフトウェアスタックを構築する必要があります。DARPAは、設計が柔軟で、スケーラブル、かつプログラマブルであることを要求しています。

核心戦略の一つは、大規模算術ワードサイズ（LAWS）の探求です。現在のCPUは64ビットワードを使用しますが、FHEではワード長を大幅に大きくすることで利益を得られます。ワードサイズが大きいほど信号対雑音比が向上し、ノイズ閾値を超える前に多くの演算が可能になります。チームは数千ビットまでのワードサイズを調査することが期待されています。

LAWS回路の検証は特に困難です。ワードサイズが大きくなると状態空間が巨大になり、従来の検証試みは256ビットでタイムアウトしました。暗号回路は正しさの厳密な証明を要求し、フル回路検証が必要です。

追加の研究は、新規メモリ管理、柔軟なデータ構造、効率的なプログラミングモデルを対象とします。

契約受領者

Duality Technologies

Duality Technologiesは、DPRIVE ASIC開発のため1,450万ドルを受領しました。同スタートアップは、金融や医療などの規制分野向けFHEソリューションを専門とし、暗号化データ上での分析を可能にするSecurePlusミドルウェアを提供しています。Dualityのチームには、南カリフォルニア大学、ニューヨーク大学、カーネギーメロン大学、SpiralGen、ドレクセル大学、TwoSix Labsの専門家が含まれます。アクセラレータはオープンソースのPalisade FHEライブラリと統合されます。

Kurt Rohloff氏（画像: Duality Technologies）

「ハードウェアFHEアクセラレーションは次元数とビット幅の問題です」と、Duality CEOのKurt Rohloff氏は述べています。「数万次元のベクトル化演算を扱い、数百ビットから数千ビットのワードサイズを探求しています。」

Intel

IntelのDPRIVEチームは、Intel Labs、設計エンジニアリング、データプラットフォームにまたがります。IntelはMicrosoftと提携し、ASICをAzureとJediクラウドに導入し、国際標準化団体とFHE標準で協力します。Intelは、自社のASICがFHE処理時間を最大5桁削減できると主張していますが、詳細は未公表です。同社は、FHE暗号化データを用いたAIトレーニングと推論ワークロードでアクセラレータを評価する予定です。

SRI International

非営利研究機関のSRI Internationalは、FHEアクセラレータ課題に取り組むため1,150万ドルを受領しました。「FHE暗号化データ向けの新しいハードウェアアクセラレータの創出には、コプロセッサアーキテクチャ、ハードウェア設計、検証、ソフトウェア、数学、FHEアルゴリズムの専門知識が必要です」と、SRIの主席コンピュータサイエンティストKarim Eldefrawy氏は述べています。同氏は、チームの専門知識が数年以内に商業的に実行可能なソリューションを提供できる位置にあると付け加えました。

Galois

DARPAとNASAと協業するコンピュータサイエンスR&D企業のGaloisは、FHEアクセラレータ構築のため1,530万ドルの契約を獲得しました。同社は非同期回路設計に焦点を当て、各計算を独自の速度で実行させ、データを独立した処理要素に「ジャストインタイム」でルーティングする新しいデータフローマイクロアーキテクチャを開発しています。Galoisは、現在のソフトウェアベースFHEシステムに対する総パフォーマンス改善を10,000倍と見積もっており、これはハードウェアアクセラレーション、非同期ロジック、大規模ワードサイズ演算、最適化されたデータフロー、メモリアクセスパターンに分解されます。

タイムライン

DPRIVEは42か月、3フェーズのプログラムです。各フェーズは次のステージへの進行を決定するパフォーマンス指標を提供します。フェーズ1（15か月）はコアロジックとワードサイズ最適化に焦点を当てます。フェーズ2（15か月）でアクセラレータ設計とメモリアーキテクチャを完成させます。フェーズ3（12か月）で、完全に機能するソフトウェアプログラマブルASICを提供します。プログラムは2024年9月頃に完了見込みです。

— この記事は元々EE Timesで公開されました。

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