F1: A Fast and Programmable Accelerator for Fully Homomorphic Encryption (Extended Version)
Abstract
完全同型暗号（FHE）は、暗号化されたデータ上での計算を可能にし、信頼できないサーブに安全に計算をオフロードすることができます。FHEは理想的なセキュリティを提供しますが、ソフトウェアで実行するとコストがかかり、暗号化されていないデータに対する計算よりも4〜5桁遅くなります。このようなオーバーヘッドが、FHEを広く普及させるための大きな障壁となっている。今回発表するF1は、FHEのプログラムを実行できるプログラマブルな初のFHEアクセラレータです。F1は，FHE計算の特徴を詳細に分析し，加速の機会を明らかにした上で開発されました．F1は、モジュラー演算、数論的変換、構造化された並べ替えなど、FHEのプリミティブに深く特化した新しい機能ユニットを備えたワイドベクタープロセッサです。このような構成により、計算のスループットが非常に高くなり、データの移動がボトルネックになります。そのため、F1はデータの移動を最小限に抑えることを主眼に設計されています。F1のハードウェアは、明示的に管理されたメモリ階層と、データの移動と実行を切り離すためのメカニズムを提供しています。新開発のコンパイラは、これらのメカニズムを活用して、再利用を最大化し、オフチップおよびオンチップのデータ移動をスケジューリングします。F1の評価は、サイクルアキュレートなシミュレーションとRTL合成を用いて行いました。F1は，FHEの完全なプログラムを高速化した初めてのシステムであり，最先端のソフトウェア実装を平均5400倍，最大17000倍も上回る性能を実現しています．これらの高速化により，FHEのオーバーヘッドの大部分を打ち消すことができ，クラウドにおけるリアルタイム・プライベート・ディープラーニングのような新しいアプリケーションが可能になります．