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Homomorphic Processing Unit
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AI
DOI：10.1007/s11390-026-5125-0.png)
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摘要
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完全同态加密（FHE）能够在不解密的情况下对加密数据进行计算，确保整个处理流程中的数据机密性。然而，CKKS、BFV和TFHE等FHE方案的复杂性和异构性给统一硬件设计带来了挑战。在本文中，我们提出了同态处理单元（HPU），一个支持多种FHE方案的通用平台。与固定功能加速器不同，HPU被实现为RISC-V扩展，并引入了专用的同态指令集架构（H-ISA），包括用于最小计算内核的微指令和用于与通用模型集成的宏指令。核心操作如数论变换（NTT）和自同构被抽象为统一的指令层，映射到专用的同态计算单元。HPU集成了协同计算和存储设计，利用多项式级指令集和多项式粒度的内存管理单元（MMU）来优化内存并减少数据移动。通过结合完整的ISA和通用计算核心，HPU能够实现高效的计算、控制和调度。我们在现场可编程门阵列（FPGA）和7 nm ASIC上使用四个多FHE基准测试对HPU原型进行了评估。关键结果如下。1）HPU在CKKS类和TFHE操作上分别实现了高达1596倍和1174倍相对于CPU的加速。2）与CKKS和TFHE的SOTA FPGA解决方案相比，HPU分别实现了1.36倍和1.2倍的改进。3）HPU的ASIC实现相对于当前最先进的TFHE加速器在长短期记忆网络（LSTM）上实现了1.36倍的加速。
Keyword:
fully homomorphic encryption (FHE)
Homomorphic Processing Unit (HPU)
privacy computing
