Chiplever：一种软硬件协同设计框架，用于扩展片上系统（Chiplet）以实现完全同态加密（Fully Homomorphic Encryption）

《IEEE Computer Graphics and Applications》：Chiplever: A Hardware–Software Co-Design Framework Toward Extension of Chiplet System for Fully Homomorphic Encryption

针对全同态加密（FHE）计算需求高的问题，本文提出Chiplever框架，通过硬件扩展集成专用FHE单元和协调器，优化任务调度与密文通信，显著提升性能，速度达9.6-15.9倍，吞吐量6.2-67.4倍。

　　

摘要：

全同态加密（FHE）是一种具有良好隐私保护能力的加密技术，近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。它允许在未解密的数据上进行直接计算。然而，FHE需要大量的计算资源。基于芯片片的设计集成了多个处理器，从而实现了高性能，因此非常适合处理计算密集型的FHE任务。尽管基于芯片片的系统配备了多种处理器，但它最初是为未加密的应用设计的，在处理具有特殊密文操作要求的FHE任务时存在不足。一种常见的解决方案是开发新的FHE加速器，但这种方法忽视了系统中已有的丰富资源，并且会引入较大的面积开销。在本文中，我们提出了Chiplever框架，该框架通过硬件扩展使原本未针对FHE优化的系统能够高效支持FHE任务。Chiplever的目标是利用系统中已有的资源来完成任务：1) 通过引入带有FHE单元的硬件扩展，为FHE操作提供高效的支持；2) 在扩展中添加FHE协调器，实现新扩展与现有芯片片之间的直接密文传输，从而实现高效集成；3) 将高级同态运算降级为现有芯片片可以处理的原始运算，并构建细粒度的计算图（CG）。基于此，Chiplever采用任务调度算法，将FHE任务分配到扩展和现有芯片片上，以利用它们之间的并行性并减少密文通信开销。通过这些硬件和软件优化，Chiplever实现了高效的FHE加速。与之前的FHE专用ASIC相比，Chiplever的加速比达到了9.6倍至15.9倍，吞吐量提高了6.2倍至67.4倍。

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引言

全同态加密（FHE）是一种领先的隐私保护技术，它允许在加密数据（密文）上进行计算，并确保在不受信任的服务器上处理敏感数据时的安全性[1]、[2]。凭借其数学上的安全性，FHE在隐私保护场景中变得越来越普遍[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。尽管FHE具有诸多优势，但它需要对密文进行大量的同态运算，这比处理未加密数据需要更高的计算资源。为了解决这些计算需求，基于芯片片的设计应运而生，它们通过集成多个芯片来提供强大的计算能力，成为加速资源密集型FHE任务的潜在解决方案。