智能手機(jī)如何在不受信任的云環(huán)境中保護(hù)用戶(hù)數(shù)據(jù)，同時(shí)保持電池壽命？

美國(guó)的一個(gè)研究小組提出了一個(gè)建議。他們?yōu)檫吘壴O(shè)備開(kāi)發(fā)了一種新的硬件加速器原型，可以以標(biāo)準(zhǔn)RISC-V處理器的1000到6000倍的能效加密進(jìn)出云的消息。他們?cè)?0月份出版的《超大規(guī)模集成電路IEEE學(xué)報(bào)》（https://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=92）上描述了他們提出的RISE方法。

“It’s crucial to keep data encrypted at all times, even during processing....We proposed RISE to address these issues.”
—Zahra Azad, University of Rochester

智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、可穿戴設(shè)備和其他邊緣設(shè)備的計(jì)算能力和內(nèi)存往往有限，因此它們必須經(jīng)常將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行處理。然而，邊緣設(shè)備和云之間的數(shù)據(jù)交換帶來(lái)了安全和隱私風(fēng)險(xiǎn)。即使邊緣設(shè)備在將數(shù)據(jù)發(fā)送到云之前投入額外的計(jì)算能力來(lái)加密數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通常也必須在云中解密以進(jìn)行處理。

紐約羅切斯特大學(xué)的博士后Zahra Azad解釋道：“在某些應(yīng)用中，尤其是在隱私和安全方面，保持?jǐn)?shù)據(jù)始終加密至關(guān)重要，即使在處理過(guò)程中也是如此?！?/p>

克服這種安全問(wèn)題的解決方案被稱(chēng)為同態(tài)加密（homomorphic encryption, HE，https://spectrum.ieee.org/how-to-compute-with-data-you-cant-see），這是一種加密技術(shù)，允許在不首先解密的情況下處理加密數(shù)據(jù)。但同態(tài)加密是以邊緣設(shè)備為代價(jià)的。Azad說(shuō)：“這些邊緣操作會(huì)導(dǎo)致大量?jī)?nèi)存消耗，并帶來(lái)相當(dāng)大的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。我們建議利用RISE來(lái)解決這些問(wèn)題?！?/p>

她說(shuō)，RISE是一種區(qū)域性和節(jié)能的硬件加速器，旨在促進(jìn)邊緣設(shè)備上的同態(tài)加密應(yīng)用。Azad說(shuō)，為了創(chuàng)建RISE，她和她的同事確定了邊緣設(shè)備在同態(tài)計(jì)算中通常會(huì)遇到瓶頸的幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。這促使他們?cè)谠O(shè)計(jì)RISE時(shí)考慮到三個(gè)目標(biāo)：共享加密和解密硬件，優(yōu)化內(nèi)存訪問(wèn)模式（最大限度地減少在加速器芯片上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所需的內(nèi)存），以及提高芯片的錯(cuò)誤采樣能力。

研究人員將RISE集成到RISC-V核心上并進(jìn)行測(cè)試，將其性能與最先進(jìn)的邊緣設(shè)備同態(tài)加密設(shè)計(jì)/解決方案進(jìn)行比較。

結(jié)果表明，RISE在保持最小的內(nèi)存占用和能耗的同時(shí)，優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。值得注意的是，Azad說(shuō)，RISE作為基線處理器，可以用近1/6000的能耗加密數(shù)據(jù)，并可以用大約1/1100的能耗解密數(shù)據(jù)。同樣，RISE在延遲方面也有顯著改善，加密數(shù)據(jù)的延遲率不到1%，解密的延遲率接近1/50。

Azad說(shuō)：“這些結(jié)果突出了RISE的效率，使其成為同態(tài)加密邊緣操作的一個(gè)有前途的解決方案，特別是在低延遲、低面積和能效至關(guān)重要的情況下?！?/p>

她指出，雖然RISE在功率效率和緊湊設(shè)計(jì)方面提供了許多好處，但在性能效率方面也有一些權(quán)衡。她說(shuō)，她的團(tuán)隊(duì)希望在未來(lái)通過(guò)探索并行計(jì)算的創(chuàng)新技術(shù)來(lái)提高性能效率。

此外，研究人員在這項(xiàng)研究中使用硬件模擬器測(cè)試了RISE。接下來(lái)，他們將通過(guò)更完整的硬件設(shè)置來(lái)測(cè)試RISE。盡管如此，該團(tuán)隊(duì)對(duì)這些初步結(jié)果已經(jīng)感到十分興奮。

Azad說(shuō)：“這些原型的開(kāi)發(fā)標(biāo)志著將我們的理論概念轉(zhuǎn)化為有形的功能設(shè)備的關(guān)鍵一步。通過(guò)以實(shí)際硬件芯片的形式將我們的設(shè)計(jì)付諸實(shí)踐，我們旨在展示其在各種邊緣計(jì)算場(chǎng)景中的穩(wěn)健性和適應(yīng)性，并確保我們的創(chuàng)新在現(xiàn)實(shí)世界中產(chǎn)生有意義的影響。”

審核編輯：彭菁