DARPA, 완전 동형 암호용 ASIC 가속기 개발에 4개 팀 선정

개요

미국 국방부 산하 방위고등연구계획국(DARPA)이 데이터 보호 가상 환경(DPRIVE) 프로그램의 일환으로 완전 동형 암호(FHE)용 ASIC 가속기 개발을 위해 4개 팀에 계약을 체결했습니다. Duality Technologies, Intel, SRI International, Galois가 선정된 4개 팀으로, 계약 금액은 1,150만 달러에서 1,500만 달러 사이이며 Intel의 금액은 비공개입니다.

완전 동형 암호는 암호 기술의 '성배'입니다

3.5년간 진행되는 DPRIVE 프로그램은 FHE로 암호화된 데이터에서의 연산을 현재 비암호화 연산 시간의 한 자릿수 배 이내로 수행하는 것을 목표로 합니다. 완전 동형 암호화는 알고리즘이 암호화된 데이터에서 직접 실행되어 복호화 시 비암호화 데이터에서 얻은 결과와 일치하는 결과를 생성하도록 합니다.

기존 암호화 방식은 처리를 위해 데이터를 복호화하려 키 공유가 필요해 취약점을 만듭니다. 반면 FHE는 키 공유가 필요 없으며 데이터가 종단간 암호화된 상태를 유지합니다.

상용 동형 암호화는 일반적으로 암호화된 숫자의 덧셈만 지원합니다. 완전 동형 암호화는 암호화된 데이터에 대해 모든 수학적 연산을 허용합니다. 2009년 등장 이후 계산 강도 때문에 실용적이지 못했습니다.

"표준 노트북에서 1밀리초면 될 연산이 오늘날 기존 서버에서 FHE로 실행하면 몇 주가 걸릴 수 있습니다."라고 DARPA 프로그램 매니저 Tom Rondeau는 말했습니다.

"완전 동형 암호화는 수천 개의 순차적 FFT와 배정밀도 부동소수점 계수를 가진 500차 다항식을 요구합니다. 이는 오늘날의 CPU와 GPU 성능을 훨씬 뛰어넘는 것을 요구합니다."라고 Cornami CEO Wally Rhines는 설명했습니다.

Wally Rhines (이미지: Cornami)

DPRIVE 프로그램의 직접적인 부분은 아니지만, Cornami는 AI 가속에서 FHE로 방향을 전환하며 현재 이 분야에 경쟁자가 없다고 주장합니다. 회사의 목표는 DARPA와 일치합니다: FHE를 실용적인 성능 수준으로 끌어올리는 것입니다.

실용적인 FHE는 AI 개발을 혁신할 것입니다. 대부분의 AI 훈련은 클라우드에서 이루어지지만, 금융 및 의료 같은 분야에서 민감한 데이터 사용을 프라이버시 우려가 가로막고 있습니다. FHE용 ASIC 가속기를 통해 기업들은 암호화된 데이터를 업로드하고, 클라우드에서 모델을 훈련시키고, 복호화된 결과만 다운로드함으로써 데이터 프라이버시를 보장하면서 기관 간 협업 학습을 가능하게 할 수 있습니다.

기술적 과제

각 DPRIVE 팀은 FHE 성능을 비암호화 워크로드 수준에 가깝게 끌어올리는 하드웨어-소프트웨어 스택을 구축해야 합니다. DARPA는 설계가 유연하고 확장 가능하며 프로그래밍 가능해야 한다고 요구합니다.

핵심 전략 중 하나는 큰 산술 워드 크기(LAWS) 탐구입니다. 현재 CPU는 64비트 워드를 사용하지만, FHE는 신호 대 잡음 비율이 워드 크기에 따라 개선되어 노이즈 임계값을 초과하기 전에 더 많은 연산을 허용하므로 훨씬 더 큰 워드 길이가 유리합니다. 팀들은 수천 비트까지의 워드 크기를 조사할 것으로 예상됩니다.

LAWS 회로 검증은 특히 어렵습니다. 워드 크기가 커짐에 따라 상태 공간이 엄청나게 커지며, 이전 검증 시도는 256비트에서 타임아웃되었습니다. 암호화 회로는 정확성에 대한 엄격한 증명을 요구하므로 전체 회로 검증이 필요합니다.

추가 연구는 새로운 메모리 관리, 유연한 데이터 구조, 효율적인 프로그래밍 모델을 대상으로 합니다.

계약 수령 팀

Duality Technologies

Duality Technologies는 DPRIVE ASIC 개발을 위해 1,450만 달러를 수령했습니다. 이 스타트업은 금융 및 의료 같은 규제 분야를 위한 FHE 솔루션을 전문으로 하며, 암호화된 데이터 분석을 가능하게 하는 SecurePlus 미들웨어를 제공합니다. Duality 팀에는 USC, NYU, Carnegie Mellon, SpiralGen, Drexel University, TwoSix Labs의 전문가들이 포함됩니다. 가속기는 오픈소스 Palisade FHE 라이브러리와 통합될 예정입니다.

Kurt Rohloff (이미지: Duality Technologies)

"하드웨어 FHE 가속은 차원과 비트 폭의 문제입니다."라고 Duality CEO Kurt Rohloff는 말했습니다. "우리는 수만 차원의 벡터화된 연산을 다루고 있으며 수백 비트에서 수천 비트 워드 크기를 탐구하고 있습니다."

Intel

Intel의 DPRIVE 팀은 Intel Labs, 설계 엔지니어링, 데이터 플랫폼을 아우릅니다. Intel은 Microsoft와 협력해 ASIC을 Azure와 Jedi 클라우드에 배포하고 국제 표준 기구들과 FHE 표준에 대해 협력할 예정입니다. Intel은 자사 ASIC이 FHE 처리 시간을 최대 5개 자릿수까지 단축할 수 있다고 주장하지만 세부 사항은 추후 공개됩니다. 회사는 FHE 암호화 데이터를 대규모로 사용해 AI 훈련 및 추론 워크로드에서 가속기를 평가할 계획입니다.

SRI International

비영리 연구 기관인 SRI International은 FHE 가속기 과제 해결을 위해 1,150만 달러를 수령했습니다. "FHE 암호화 데이터를 위한 새로운 하드웨어 가속기 생성에는 코프로세서 아키텍처, 하드웨어 설계, 검증, 소프트웨어, 수학, FHE 알고리즘 전문성이 필요합니다."라고 SRI 수석 컴퓨터 과학자 Karim Eldefrawy는 말했습니다. 그는 팀의 전문성이 몇 년 내에 상업적으로 실행 가능한 솔루션을 제공할 수 있게 한다고 덧붙였습니다.

Galois

DARPA와 NASA와 협력하는 컴퓨터 과학 R&D 기업 Galois는 FHE 가속기 구축을 위해 1,530만 달러 계약을 확보했습니다. 회사는 각 연산이 자체 속도로 실행되게 하는 비동기 회로 설계와 데이터를 독립적 처리 요소에 '저스트 인 타임'으로 라우팅하는 새로운 데이터플로우 마이크로아키텍처에 집중합니다. Galois는 현재 소프트웨어 기반 FHE 시스템 대비 총 10,000배 성능 향상을 예상하며, 이는 하드웨어 가속, 비동기 로직, 큰 워드 크기 연산, 최적화된 데이터플로우, 메모리 액세스 패턴으로 세분화됩니다.

일정

DPRIVE는 42개월, 3단계 프로그램입니다. 각 단계는 다음 단계 진행을 결정하는 성능 지표를 제공합니다. 1단계(15개월)는 핵심 로직과 워드 크기 최적화에 집중합니다. 2단계(15개월)는 가속기 설계와 메모리 아키텍처를 완료합니다. 3단계(12개월)는 완전히 기능하는 소프트웨어 프로그래밍 가능 ASIC을 제공합니다. 프로그램은 2024년 9월경 종료될 것으로 예상됩니다.

— 이 기사는 원래 EE Times에 게재되었습니다.