一種流水線架構的零知識證明隱私計算專用加速芯片
1. 痛點問題
數(shù)據是數(shù)字經濟時代的核心生產要素,但數(shù)據在自由流通或共享中才能產生更大價值。數(shù)據的隱私計算對保護數(shù)據安全,實現(xiàn)數(shù)據共享與協(xié)作應用,破除數(shù)據孤島,提供合法合規(guī)的監(jiān)管抓手,最大化釋放數(shù)據價值有重大的現(xiàn)實價值。
零知識證明、安全多方計算、差分隱私、同態(tài)加密等現(xiàn)代密碼學算法具有堅實完善的理論基礎,可以提供最為可靠的數(shù)據保護方式。例如,零知識證明算法已經在學術界和工業(yè)界受到了廣泛關注,應用于可信計算、區(qū)塊鏈擴容、匿名貨幣等多種場景。然而,受制于算法的復雜度和硬件的計算能力,現(xiàn)有零知識證明等隱私計算性能仍比明文計算慢兩到三個數(shù)量級,難以有效實現(xiàn)產業(yè)化。
2. 解決方案
本成果提出了一種高效的流水線芯片架構,顯著提升了以零知識證明為核心的多種隱私計算和區(qū)塊鏈應用中的數(shù)據處理性能和效率。本成果以算法為核心、以數(shù)據流為參考、以芯片實現(xiàn)為目的,通過全流水設計,優(yōu)化芯片性能、面積和功耗,多維度解決隱私計算的算力不足問題,致力于成為新基建“數(shù)據價值互聯(lián)網”的基礎設施。
本成果所提出的芯片架構包含兩個子系統(tǒng)。第一個子系統(tǒng)主要處理有限域上的高次多項式計算。通過利用傅里葉變換分解龐大的計算任務,同時對底層模塊進行定制化流水線設計,并利用數(shù)據分片、片上轉置等技術優(yōu)化對數(shù)據流的控制。第二個子系統(tǒng)主要處理橢圓曲線上的大規(guī)模模冪運算。采用計算復雜度最優(yōu)的Pippenger算法與定制化的數(shù)據流和底層流水線控制,并結合實際場景下的系數(shù)分布規(guī)律采用簡單高效的任務分配機制,用最小的控制邏輯實現(xiàn)負載均衡。
清華大學
2021-09-15