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一種流水線架構(gòu)的零知識(shí)證明隱私計(jì)算專用加速芯片

1. 痛點(diǎn)問(wèn)題數(shù)據(jù)是數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的核心生產(chǎn)要素，但數(shù)據(jù)在自由流通或共享中才能產(chǎn)生更大價(jià)值。數(shù)據(jù)的隱私計(jì)算對(duì)保護(hù)數(shù)據(jù)安全，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與協(xié)作應(yīng)用，破除數(shù)據(jù)孤島，提供合法合規(guī)的監(jiān)管抓手，最大化釋放數(shù)據(jù)價(jià)值有重大的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。零知識(shí)證明、安全多方計(jì)算、差分隱私、同態(tài)加密等現(xiàn)代密碼學(xué)算法具有堅(jiān)實(shí)完善的理論基礎(chǔ)，可以提供最為可靠的數(shù)據(jù)保護(hù)方式。例如，零知識(shí)證明算法已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界受到了廣泛關(guān)注，應(yīng)用于可信計(jì)算、區(qū)塊鏈擴(kuò)容、匿名貨幣等多種場(chǎng)景。然而，受制于算法的復(fù)雜度和硬件的計(jì)算能力，現(xiàn)有零知識(shí)證明等隱私計(jì)算性能仍比明文計(jì)算慢兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，難以有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)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(gòu)，顯著提升了以零知識(shí)證明為核心的多種隱私計(jì)算和區(qū)塊鏈應(yīng)用中的數(shù)據(jù)處理性能和效率。本成果以算法為核心、以數(shù)據(jù)流為參考、以芯片實(shí)現(xiàn)為目的，通過(guò)全流水設(shè)計(jì)，優(yōu)化芯片性能、面積和功耗，多維度解決隱私計(jì)算的算力不足問(wèn)題，致力于成為新基建“數(shù)據(jù)價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)”的基礎(chǔ)設(shè)施。本成果所提出的芯片架構(gòu)包含兩個(gè)子系統(tǒng)。第一個(gè)子系統(tǒng)主要處理有限域上的高次多項(xiàng)式計(jì)算。通過(guò)利用傅里葉變換分解龐大的計(jì)算任務(wù)，同時(shí)對(duì)底層模塊進(jìn)行定制化流水線設(shè)計(jì)，并利用數(shù)據(jù)分片、片上轉(zhuǎn)置等技術(shù)優(yōu)化對(duì)數(shù)據(jù)流的控制。第二個(gè)子系統(tǒng)主要處理橢圓曲線上的大規(guī)模模冪運(yùn)算。采用計(jì)算復(fù)雜度最優(yōu)的Pippenger算法與定制化的數(shù)據(jù)流和底層流水線控制，并結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景下的系數(shù)分布規(guī)律采用簡(jiǎn)單高效的任務(wù)分配機(jī)制，用最小的控制邏輯實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

清華大學(xué) 2021-09-15

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