Heracles-Chip: Intel beschleunigt Rechnen mit verschlüsselten Daten
Vollständig homomorphe Verschlüsselung(öffnet im neuen Fenster) , kurz FHE (Fully Homomorphic Encryption), gilt als der heilige Gral des Cloud-Computing: Daten werden nicht nur verschlüsselt übertragen, sondern können auch verschlüsselt verarbeitet werden. Niemand sieht, was genau verarbeitet wird. Möglich ist das, da auf die verschlüsselten Daten angewandte mathematische Operationen in gleicher Weise auf die Originaldaten wirken. Leider ist das in der Praxis wesentlich aufwendiger, als es klingt.
Daher sind Berechnungen auf verschlüsselten Daten um Größenordnungen aufwendiger und damit langsamer als auf unverschlüsselten. Auflösen könnten das Problem spezielle Beschleuniger wie Heracles, über den das Magazin IEEE Spectrum berichtet(öffnet im neuen Fenster) . Entwickelt hat ihn Intel, vorgestellt wurde er(öffnet im neuen Fenster) im Rahmen der Konferenz IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC).
Gefertigt wurde Heracles im 3-nm-Prozess Intel 3 , der Chip besteht größtenteils aus speziellen SIMD-Rechenwerken (Single Instruction, Multiple Data). Sie sind für Berechnungen mit Polynomen ausgelegt und über breite Busse verbunden.
Erforderlich ist das, da die verschlüsselten Daten große Pakete bilden. FHE setzt auf Gitterprobleme, die auch die Grundlage vieler Algorithmen für Post-Quanten-Kryptografie sind. Hier sind allerdings deutlich mehr Bits erforderlich, um das Sicherheitsniveau klassischer Verfahren wie AES zu erreichen. Zudem erfordern FHE-Algorithmen Korrekturmaßnahmen, sogenanntes Bootstrapping, da andernfalls Rechenfehler (Rauschen, Noise) die Daten nach wenigen Operationen unbrauchbar machen würden.
Daten und Befehle als Paket
Das Bootstrapping macht bei FHE den Großteil des Rechenaufwands aus – zwischen 60 und 95 Prozent. Hierfür werden große Polynome genutzt, deren Koeffizienten mit Daten und Befehlen für die einzelnen Rechenschritte durch den Chip geschickt werden.
Dem Polynom steht dabei ein eigener, 512 Byte breiter Bus zur Verfügung, Daten und Befehle werden als 32 kByte große Pakete verschickt. Heracles nutzt dabei einen eigenen, für die Verarbeitung von Polynomen ausgelegten Befehlssatz(öffnet im neuen Fenster) .
Intern stehen zur Ablage der Daten ein 64 MByte großer Scratchpad-Speicher zur Verfügung, allein die Register fassen 9 MByte. Auch nach außen bleibt die Bandbreite hoch: Zwei je 24 GByte große HBM3-Stacks übertragen Daten mit je 819 GByte/s. All der Aufwand lohnt sich: Im Vergleich zu einem im Bericht von IEEE Spectrum nicht genauer benannten, mit 3,5 GHz taktenden Xeon-Prozessor rechnet der mit nur 1,2 GHz taktende Heracles um den Faktor 2.355 schneller.
Heracles ist dabei keineswegs der einzige FHE-Beschleuniger, der sich in Entwicklung befindet – aber der größte und leistungsfähigste bislang vorgestellte. Gefördert wurde die Entwicklung von Heracles von Darpa, der Forschungsbehörde des US-Verteidigungsministeriums.
- Anzeige Hier geht es zu Intel-Prozessoren bei Alternate Wenn Sie auf diesen Link klicken und darüber einkaufen, erhält Golem eine kleine Provision. Dies ändert nichts am Preis der Artikel.