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Towards Faster Fully Homomorphic Encryption Implementation with Integer and Floating-point Computing Power of GPUs

计算机科学 同态加密 实施 加速 明文 加密 密码学 并行计算 协处理器 浮点型 计算机工程 理论计算机科学 算法 操作系统 程序设计语言
作者
Fan Guang,Fangyu Zheng,Lipeng Wan,Lili Gao,Yuan Zhao,Jiankuo Dong,Yixuan Song,Yuewu Wang,Jingqiang Lin
标识
DOI:10.1109/ipdps54959.2023.00085
摘要

Fully Homomorphic Encryption (FHE) allows computations on encrypted data without knowledge of the plaintext message and currently has been the focus of both academia and industry. However, the performance issue hinders its large-scale application, highlighting the urgent requirements of high-performance FHE implementations.With noticing the tremendous potential of GPUs in the field of cryptographic acceleration, this paper comprehensively investigates how to convert the available computing resources residing in GPUs into FHE workhorses, and implement a full set of low-level and middle-level FHE primitives based on two arithmetic units (i.e., INT32 and FP64 units) with three types of data precision (i.e., INT32, INT64 and FP64). This paper gives a comprehensive evaluation and comparison based on each road-map. Our implementations of fundamental functions outperform the implementations on the same platform by 1.7× to 16.7×. Taking CKKS FHE schemes as a case study, our implementation of homomorphic multiplication achieves 3.2× speedup over the state-of-the-art GPU-based implementation, even considering the difference of platforms. The detailed evaluation and comparison of this paper would offer a vital reference for the follow-up work to choose appropriate underlying arithmetic units and important primitive optimizations in GPU-based FHE implementations.
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