HUTAO：一种具有缓存感知操作调度功能的可重构同态处理单元

《IEEE Journal of Solid-State Circuits》：HUTAO: A Reconfigurable Homomorphic Processing UniT With Cache-Aware Operation Scheduling

隐私保护机器学习中的全同态加密（FHE）硬件加速方案，提出可重构多方案FHE处理器，支持客户端加密/解密和服务器端评估，集成可重构处理单元（RPE）与分离自动同构单元（DAU），优化数论变换（NTT）和内存访问，28nm工艺下客户端能耗4.05μJ/次，服务器吞吐8.72kHMul/s，NTT性能最优。

　　

摘要：

全同态加密（FHE）能够在保持隐私的同时实现机器学习（PPML），但需要较高的计算开销，因此需要使用特定领域的加速器。为了全面支持分级FHE，本文提出了一种可重构的多方案FHE处理器，该处理器支持客户端加密/解密和服务器端评估。首先，开发了用于模块运算的可重构处理单元（RPE）和用于多项式采样的可重用数据生成器，以支持FHE中的各种操作。其次，提出了一种支持多项式运算的可配置RPE阵列以及用于同态旋转的去耦自同构单元（DAU），以加速具有复杂数据流的FHE原语。最后，引入了片上数据生成策略和缓存感知的操作调度（CAOS）方法，以缓解FHE应用程序端到端执行过程中的内存瓶颈。该芯片采用28纳米工艺制造，并通过端到端执行进行了测试。针对参数集（多项式度数为4096）和128位安全级别，所提出的芯片在客户端每次加密的功耗为4.05 μJ，并在服务器端提供8.72 kHMul/s的吞吐量。在数论变换（NTT）操作方面，该芯片与现有最先进解决方案相比具有最高的吞吐量和最佳的面积效率。