While private information retrieval (PIR) enables private database services by fully concealing access patterns, it simultaneously requires high computational throughput, large memory capacity, and substantial memory bandwidth. We introduce VIPIR, a versatile GPU framework that co-designs PIR protocols with GPU acceleration. We develop a unified analytic model showing that state-of-the-art PIR protocols fall into two categories with complementary limitations, and propose two protocols that flexibly combine techniques across these categories, overcoming the limitations of both classes. These protocols incorporate a GPU-friendly data compression method called expansion-based ring packing (ExpPack), which offers a high degree of parallelism and minimal communication cost. VIPIR applies further optimizations to core operations, including number-theoretic transforms (NTTs) and various matrix-matrix multiplications (GEMMs). Notably, we develop a tensor-core-based execution method for database multiplication by interpreting it as a mixed-integer-type GEMM. We also design memory-efficient scheduling methods that minimize intermediate buffers and enable multi-GPU scaling under memory capacity constraints. Overall, VIPIR achieves orders-of-magnitude higher throughput than prior PIR systems while reducing communication and memory overheads, making large-scale PIR practical.


翻译:尽管隐私信息检索(PIR)通过完全隐藏访问模式实现了隐私数据库服务,但它同时要求高计算吞吐量、大内存容量和充足的内存带宽。我们提出了VIPIR,一种将PIR协议与GPU加速协同设计的通用GPU框架。我们开发了一个统一的分析模型,表明现有最先进的PIR协议可分为两类,且各自存在互补的局限性,并提出了两种协议,灵活地结合了这两类协议的技术,克服了两者的缺陷。这些协议采用了一种GPU友好的数据压缩方法——基于扩展的环打包(ExpPack),该方法具有高并行度和极低的通信成本。VIPIR进一步优化了核心操作,包括数论变换(NTT)和多种矩阵乘法(GEMM)。特别地,我们通过将数据库乘法解释为混合整数类型的GEMM,开发了一种基于张量核心的执行方法。我们还设计了内存高效的调度方案,以最小化中间缓冲区,并在内存容量限制下实现多GPU扩展。总体而言,VIPIR在降低通信和内存开销的同时,实现了比先前PIR系统高出数个数量级的吞吐量,使得大规模PIR变得实用。

0
下载
关闭预览

相关内容

重磅!《隐私计算白皮书(2022年)》正式发布,65页pdf
专知会员服务
85+阅读 · 2023年1月2日
【ICML2021-Tutorial】机器学习隐私,90页ppt
专知会员服务
38+阅读 · 2021年7月27日
《隐私计算白皮书(2021年)》正式发布(附下载链接)
专知会员服务
96+阅读 · 2021年7月22日
盘点来自工业界的GPU共享方案
计算机视觉life
12+阅读 · 2021年9月2日
深度学习 | 免费使用Google Colab的GPU云计算平台
沈浩老师
12+阅读 · 2018年2月4日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31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
1+阅读 · 2015年12月31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
7+阅读 · 2015年12月31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
1+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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
相关VIP内容
重磅!《隐私计算白皮书(2022年)》正式发布,65页pdf
专知会员服务
85+阅读 · 2023年1月2日
【ICML2021-Tutorial】机器学习隐私,90页ppt
专知会员服务
38+阅读 · 2021年7月27日
《隐私计算白皮书(2021年)》正式发布(附下载链接)
专知会员服务
96+阅读 · 2021年7月22日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31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
1+阅读 · 2015年12月31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
7+阅读 · 2015年12月31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
1+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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员