Homomorphic encryption (HE) is a privacy-preserving computation technique that enables computation on encrypted data. Today, the potential of HE remains largely unrealized as it is impractically slow, preventing it from being used in real applications. A major computational bottleneck in HE is the key-switching operation, accounting for approximately 70% of the overall HE execution time and involving a large amount of data for inputs, intermediates, and keys. Prior research has focused on hardware accelerators to improve HE performance, typically featuring large on-chip SRAMs and high off-chip bandwidth to deal with large scale data. In this paper, we present a novel approach to improve key-switching performance by rigorously analyzing its dataflow. Our primary goal is to optimize data reuse with limited on-chip memory to minimize off-chip data movement. We introduce three distinct dataflows: Max-Parallel (MP), Digit-Centric (DC), and Output-Centric (OC), each with unique scheduling approaches for key-switching computations. Through our analysis, we show how our proposed Output-Centric technique can effectively reuse data by significantly lowering the intermediate key-switching working set and alleviating the need for massive off-chip bandwidth. We thoroughly evaluate the three dataflows using the RPU, a recently published vector processor tailored for ring processing algorithms, which includes HE. This evaluation considers sweeps of bandwidth and computational throughput, and whether keys are buffered on-chip or streamed. With OC, we demonstrate up to 4.16x speedup over the MP dataflow and show how OC can save 12.25x on-chip SRAM by streaming keys for minimal performance penalty.


翻译:摘要:同态加密(HE)是一种保护隐私的计算技术,可在加密数据上执行计算。然而,由于HE速度过慢且不切实际,其潜力在当今仍未得到充分实现,阻碍了其在真实应用中的使用。HE的一个主要计算瓶颈是密钥切换操作,该操作约占HE总执行时间的70%,并涉及大量输入数据、中间结果和密钥。先前的研究集中于通过硬件加速器提升HE性能,这类加速器通常配备大型片上SRAM和高片外带宽以处理大规模数据。本文提出了一种新方法,通过严格分析密钥切换的数据流来提升其性能。我们的主要目标是在有限的片上内存下优化数据重用,以减少片外数据移动。我们引入了三种不同的数据流:最大并行(MP)、数字中心(DC)和输出中心(OC),每种数据流对密钥切换计算采用独特的调度策略。通过分析,我们展示了所提出的输出中心技术如何通过显著降低密钥切换中间工作集并缓解对大规模片外带宽的需求,有效实现数据重用。我们使用RPU(一种近期发布的专为环处理算法(包括HE)设计的向量处理器)对三种数据流进行了全面评估。该评估考虑了带宽和计算吞吐量的扫描范围,以及密钥是存储在片上还是以流式传输。采用OC数据流,我们实现了相比MP数据流高达4.16倍的加速,并展示了OC如何通过流式传输密钥在极小性能损失下节省12.25倍的片上SRAM。

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
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7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
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
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 · 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
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
VIP会员
最新内容
《通过小型无人机系统将情报能力“作战化”》
专知会员服务
0+阅读 · 29分钟前
消耗优势:美军的“精确规模化”概念
专知会员服务
7+阅读 · 6月15日
《离线语言支持系统:面向空战战术决策》
专知会员服务
8+阅读 · 6月15日
俄乌战场地面机器人如何改写战争规则
专知会员服务
9+阅读 · 6月14日
《无人水面艇文献综述与结构设计》135页
专知会员服务
16+阅读 · 6月13日
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
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7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
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
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 · 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
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