Ring-Learning-with-Errors (RLWE) has emerged as the foundation of many important techniques for improving security and privacy, including homomorphic encryption and post-quantum cryptography. While promising, these techniques have received limited use due to their extreme overheads of running on general-purpose machines. In this paper, we present a novel vector Instruction Set Architecture (ISA) and microarchitecture for accelerating the ring-based computations of RLWE. The ISA, named B512, is developed to meet the needs of ring processing workloads while balancing high-performance and general-purpose programming support. Having an ISA rather than fixed hardware facilitates continued software improvement post-fabrication and the ability to support the evolving workloads. We then propose the ring processing unit (RPU), a high-performance, modular implementation of B512. The RPU has native large word modular arithmetic support, capabilities for very wide parallel processing, and a large capacity high-bandwidth scratchpad to meet the needs of ring processing. We address the challenges of programming the RPU using a newly developed SPIRAL backend. A configurable simulator is built to characterize design tradeoffs and quantify performance. The best performing design was implemented in RTL and used to validate simulator performance. In addition to our characterization, we show that a RPU using 20.5mm2 of GF 12nm can provide a speedup of 1485x over a CPU running a 64k, 128-bit NTT, a core RLWE workload


翻译:环错误学习(Ring-Learning-with-Errors, RLWE)已成为提升安全性与隐私保护的诸多关键技术(包括同态加密和后量子密码学)的基础。尽管前景广阔,这些技术因在通用计算设备上运行时存在极高的开销而应用受限。本文提出一种新型向量指令集架构(ISA)及其微架构,用于加速RLWE中的环计算。该ISA命名为B512,旨在满足环处理工作负载需求的同时,兼顾高性能与通用编程支持能力。相较于固定硬件架构,采用ISA可在制造后持续改进软件,并适应不断演进的工作负载。基于此,我们提出了环形处理单元(RPU),作为B512的高性能模块化实现方案。RPU具备原生大整数模运算支持、超宽并行处理能力,以及大容量高带宽暂存器,充分满足环处理需求。我们通过新开发的SPIRAL后端解决了RPU的编程挑战,并构建了可配置模拟器以表征设计权衡及量化性能。最优设计方案已通过寄存器传输级(RTL)实现并用于验证模拟器性能。除性能表征外,我们证明采用20.5mm² GF 12nm工艺的RPU在运行64k位128位NTT(RLWE核心工作负载)时,相比CPU可取得1485倍加速比。

0
下载
关闭预览

相关内容

【硬核书】Linux 基础第二版,500页pdf
专知会员服务
90+阅读 · 2022年9月12日
【2022新书】高效深度学习,Efficient Deep Learning Book
专知会员服务
128+阅读 · 2022年4月21日
机器学习组合优化
专知会员服务
112+阅读 · 2021年2月16日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20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
IEEE | DSC 2019诚邀稿件 (EI检索)
Call4Papers
10+阅读 · 2019年2月25日
【推荐】自然语言处理(NLP)指南
机器学习研究会
35+阅读 · 2017年11月17日
【推荐】用Tensorflow理解LSTM
机器学习研究会
36+阅读 · 2017年9月11日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
12+阅读 · 2023年5月22日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月21日
Arxiv
13+阅读 · 2022年8月16日
VIP会员
最新内容
面向国防作战的最佳自主与蜂群无人机技术
专知会员服务
2+阅读 · 今天8:04
《异构人类团队的协作决策过程混合建模研究》
专知会员服务
3+阅读 · 今天7:59
博士论文 | 面向大模型推理的内存高效算法
专知会员服务
3+阅读 · 7月27日
美空军新型反无人机部队初探
专知会员服务
7+阅读 · 7月27日
《防空交战流程的概率建模研究》
专知会员服务
10+阅读 · 7月27日
ICML 2026 教程 | 数值优化理论还重要吗?
专知会员服务
6+阅读 · 7月26日
ICM 2026 | 陶哲轩:人工智能时代的数学
专知会员服务
9+阅读 · 7月26日
相关VIP内容
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20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
IEEE | DSC 2019诚邀稿件 (EI检索)
Call4Papers
10+阅读 · 2019年2月25日
【推荐】自然语言处理(NLP)指南
机器学习研究会
35+阅读 · 2017年11月17日
【推荐】用Tensorflow理解LSTM
机器学习研究会
36+阅读 · 2017年9月11日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员