OLA+：面向全同态加密的多FPGA叠加加速器系统

《ACM Transactions on Reconfigurable Technology and Systems》：OLA+: Multi-FPGA Overlay Accelerator System for Fully Homomorphic Encryption

　　全同态加密（Fully Homomorphic Encryption, FHE）是一种具有前景的隐私保护计算技术。然而，由于全同态加密运算对计算资源和内存带宽的需求极高，其速度比对应的明文操作慢几个数量级。FPGA（现场可编程门阵列）是加速FHE工作负载的理想平台，但手动编程FPGA具有挑战性，因为不同的FHE参数和运算需要不同的映射策略。我们提出了OLA+，一个面向FHE的可扩展覆盖加速器系统，旨在在多FPGA平台上高效运行。OLA+通过提供基于Python的接口和编译器，将OLA+程序高效映射为硬件指令执行，从而消除了手动且耗时的FPGA编程需求。其硬件架构和指令集经过协同设计，用于加速常见的FHE原语，而编译器则将所有FHE运算映射为这些原语以实现高效执行。我们提出了一种编译时分片策略，既在多个密文之间又在各密文内部并行化计算，使OLA+程序能够在多个FPGA加速器上高效运行。OLA+包含两项优化措施以应对FHE计算中的内存带宽挑战。首先，我们提出了一种异步数据流执行模型，由编译器管理数据处理顺序，并由架构在运行时强制执行。该方法通过片上SRAM保证了数据的复用。其次，我们在编译器中设计了延迟感知的指令调度，以减少数据复用距离并将数据传输与计算重叠。我们在AMD Alveo U280 FPGA上实现了该覆盖加速器。我们通过执行各种FHE运算、FHE线性代数基准测试以及端到端机器学习训练和推理任务，评估了该覆盖加速器在不同FHE参数下的有效性。实验结果表明，在OLA+上使用8个覆盖加速器运行端到端同态加密机器学习训练和推理任务，相比最先进的CPU和GPU实现，加速比分别可达8835倍和14.6倍。