Privacy-Preserving Neural Networks (PPNN) are advanced to perform inference without breaching user privacy, which can serve as an essential tool for medical diagnosis to simultaneously achieve big data utility and privacy protection. As one of the key techniques to enable PPNN, Fully Homomorphic Encryption (FHE) is facing a great challenge that homomorphic operations cannot be easily adapted for non-linear activation calculations. In this paper, batch-oriented element-wise data packing and approximate activation are proposed, which train linear low-degree polynomials to approximate the non-linear activation function - ReLU. Compared with other approximate activation methods, the proposed fine-grained, trainable approximation scheme can effectively reduce the accuracy loss caused by approximation errors. Meanwhile, due to element-wise data packing, a large batch of images can be packed and inferred concurrently, leading to a much higher utility ratio of ciphertext slots. Therefore, although the total inference time increases sharply, the amortized time for each image actually decreases, especially when the batch size increases. Furthermore, knowledge distillation is adopted in the training process to further enhance the inference accuracy. Experiment results show that when ciphertext inference is performed on 4096 input images, compared with the current most efficient channel-wise method, the inference accuracy is improved by 1.65%, and the amortized inference time is reduced by 99.5%.


翻译:隐私保护神经网络(PPNN)旨在不泄露用户隐私的情况下执行推理,可成为医疗诊断中同时实现大数据效用与隐私保护的关键工具。作为实现PPNN的核心技术之一,全同态加密(FHE)面临重大挑战:同态运算难以直接适配非线性激活计算。本文提出面向批次的逐元素数据打包与近似激活方法,通过训练线性低阶多项式来逼近非线性激活函数ReLU。与其他近似激活方法相比,所提出的细粒度可训练近似方案能有效降低近似误差导致的精度损失。同时,基于逐元素数据打包,可对大批量图像进行并行打包与推理,从而显著提升密文槽的利用率。因此,尽管总推理时间大幅增加,但每张图像的均摊时间实际下降,尤其在批量规模增大时更为明显。此外,训练过程中引入知识蒸馏进一步提升推理精度。实验结果表明:对4096张输入图像进行密文推理时,与当前最高效的通道级方法相比,推理精度提升1.65%,均摊推理时间降低99.5%。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
18+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年4月26日
Arxiv
10+阅读 · 2022年3月14日
Arxiv
92+阅读 · 2020年2月28日
VIP会员
最新内容
2026“人工智能+”行业发展蓝皮书(附下载)
专知会员服务
4+阅读 · 今天12:11
《强化学习数学基础》
专知会员服务
2+阅读 · 今天12:07
“Maven计划”的发展演变之“Maven智能系统”应用
《无人机革命:来自俄乌战场的启示》(报告)
专知会员服务
7+阅读 · 今天6:48
《实现联合作战能力所需的技术》58页报告
专知会员服务
4+阅读 · 今天6:30
以色列运用人工智能优化空袭警报系统
专知会员服务
4+阅读 · 今天6:20
以色列在多条战线部署AI智能体
专知会员服务
5+阅读 · 今天6:12
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
18+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员