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
數據是數字經濟時代的核心生產要素,但數據在自由流通或共享中才能產生更大價值。數據的隱私計算對保護數據安全,實現數據共享與協作應用,破除數據孤島,提供合法合規的監管抓手,最大化釋放數據價值有重大的現實價值。
零知識證明、安全多方計算、差分隱私、同態加密等現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據保護方式。例如,零知識證明算法已經在學術界和工業界受到了廣泛關注,應用于可信計算、區塊鏈擴容、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量級,難以有效實現產業化。
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塊鏈應用中的數據處理性能和效率。本成果以算法為核心、以數據流為參考、以芯片實現為目的,通過全流水設計,優化芯片性能、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“數據價值互聯網”的基礎設施。
本成果所提出的芯片架構包含兩個子系統。第一個子系統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,并利用數據分片、片上轉置等技術優化對數據流的控制。第二個子系統主要處理橢圓曲線上的大規模模冪運算。采用計算復雜度最優的Pippenger算法與定制化的數據流和底層流水線控制,并結合實際場景下的系數分布規律采用簡單高效的任務分配機制,用最小的控制邏輯實現負載均衡。
清華大學
2021-09-15