Fully Homomorphic Encryption Intel zeigt funktionalen FHE-Beschleuniger für Berechnungen auf verschlüsselten Daten

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Mit Heracles demonstriert Intel einen Spezialbeschleuniger für Fully Homomorphic Encryption, der verschlüsselte Daten ohne Entschlüsselung direkt verarbeitet und FHE-Operationen deutlich beschleunigt. Dabei bleiben sensible Daten auch während des Verarbeitungsvorgangs zugriffssicher geschützt.

Intel hat mit Heracles einen Spezialchip vorgestellt, der Berechnungen auf vollständig verschlüsselten Daten ausführt, ohne dass die Daten während der Verarbeitung entschlüsselt werden müssen. Der Beschleuniger wurde auf der ISSCC präsentiert und ist für Fully Homomorphic Encryption, kurz FHE, ausgelegt. Ziel ist es, sensible Daten auch während der eigentlichen Verarbeitung vor Angriffen zu schützen.

FHE gilt seit Jahren als vielversprechender Ansatz für datenschutzkritische Anwendungen, etwa bei Cloud-Diensten, medizinischen Analysen oder sicheren Datenbankabfragen. Der praktische Einsatz scheitert bislang jedoch häufig am hohen Rechenaufwand. Im Vergleich zur Verarbeitung unverschlüsselter Daten benötigen heutige CPUs und GPUs für FHE-Operationen ein Vielfaches an Zeit.

Nach Angaben von Intel erreicht Heracles bei sieben zentralen FHE-Operationen eine Beschleunigung um den Faktor 1074 bis 5547 gegenüber einem 24-Kern-Xeon der Sapphire-Rapids-Generation. In einer gezeigten Demo dauerte eine verschlüsselte Abfrage auf einem Xeon-Server 15 Millisekunden, während Heracles dieselbe Aufgabe in 14 Mikrosekunden bearbeitete. Hochgerechnet auf große Datenmengen würde sich der Unterschied deutlich auswirken.

Architektur für einen eng umrissenen Einsatzzweck

Heracles ist kein universeller Prozessor und kein x86-System, sondern ein dedizierter Beschleuniger für FHE-Mathematik. Der Chip führt keine allgemeine Software aus und betreibt auch kein Betriebssystem. Er ist darauf ausgelegt, genau jene Operationen effizient abzubilden, die bei homomorpher Verschlüsselung den größten Aufwand verursachen.

Technisch setzt Intel auf eine stark parallelisierte Architektur mit 64 sogenannten Tile-Pairs, die in einem 8×8-Mesh angeordnet sind. Jedes Tile-Pair enthält 128 parallele Rechenpfade, woraus sich ein 8192-facher SIMD-Rechenverbund ergibt. Die Einheiten sind auf modulare Addition, Subtraktion, Multiplikation sowie Butterfly-Operationen für Number-Theoretic Transforms und inverse Transforms optimiert.

Für die Berechnungen nutzt Heracles 32-Bit-Arithmetik-Slices. Laut Intel war diese Entscheidung ein wesentlicher Architekturansatz, um Präzision und Parallelität in einem praktikablen Verhältnis zu halten. Da FHE mit sehr großen Zahlen, Polynomarithmetik, Automorphismen und Bootstrapping arbeitet, sollen so Geschwindigkeit und Skalierbarkeit verbessert werden, ohne die mathematischen Anforderungen aus dem Blick zu verlieren.

Datenbewegung wird zum zentralen Engpass

Ein wesentlicher Teil der Herausforderung liegt nicht nur in der Rechenlogik, sondern auch in der Datenbewegung. FHE vergrößert Datenmengen gegenüber Klartext typischerweise um Größenordnungen. Dadurch steigen die Anforderungen an Speicheranbindung, Zwischenspeicherung und interne Datenpfade erheblich.

Heracles ist deshalb mit 48 GByte HBM3 ausgestattet, verteilt auf zwei Speicherstapel, und bindet diese mit 819 GByte/s an den Prozessor an. Hinzu kommen 64 MByte interner Scratchpad- beziehungsweise Cache-Speicher, große Registerdateien und dedizierte Puffer. Innerhalb des Chips werden Daten über breite Verbindungen und mit einem Durchsatz im Terabyte-Bereich pro Sekunde zwischen den Recheneinheiten transportiert.

Um Rechnen und Datenverkehr voneinander zu entkoppeln, arbeitet der Beschleuniger mit drei synchronisierten Instruktionsströmen gleichzeitig: einem für den Datentransfer auf den Chip und vom Chip, einem für die interne Datenbewegung und einem dritten für die eigentlichen Rechenoperationen. Intel sieht darin einen entscheidenden Faktor für die erreichte Beschleunigung, da FHE-Workloads stark von der Balance zwischen Rechenlast und Speicherzugriffen abhängen.

Nachgehakt: Photonischer KI-Rechner

„Wir haben den Schlüssel für die Tür zu einer neuen Ära des Computings“

Startups arbeiten an vergleichbaren Lösungen

Gefertigt wird Heracles im Intel-3-Prozess. Der Chip belegt 197 mm², taktet mit 1,2 GHz, arbeitet innerhalb eines Leistungsrahmens von 176 Watt und ist als flüssigkeitsgekühlte PCIe-Beschleunigerkarte für den Einsatz neben Standardservern ausgelegt. Unterstützt werden mehrere wichtige FHE-Schemata, darunter BGV, BFV und CKKS, außerdem unterschiedliche Parametersätze und Sicherheitsniveaus.

Intel ordnet Heracles als Ergebnis eines mehrjährigen DARPA-Programms ein, das speziell auf die Beschleunigung von FHE mit maßgeschneiderter Hardware ausgerichtet war. Das Unternehmen betont vor allem die erreichte Skalierung, sowohl bei der Chipgröße als auch bei der Rechenleistung. Nach Einschätzung des Projektteams markiert Heracles damit einen frühen, aber wichtigen Schritt in Richtung praktisch nutzbarer verschlüsselter Datenverarbeitung.

Gleichzeitig ist der Markt noch offen. Start-ups wie Niobium Microsystems, Fabric Cryptography, Cornami und Optalysys arbeiten ebenfalls an FHE-Beschleunigern, teils mit digitalen, teils mit photonischen Ansätzen. Während Intel bisher keine konkreten Kommerzialisierungspläne genannt hat, zielen andere Anbieter bereits ausdrücklich auf Cloud- und KI-Infrastrukturen. Heracles zeigt damit vor allem, dass spezialisierte Hardware die Leistungsgrenzen von FHE deutlich verschieben kann, auch wenn sich erst noch zeigen muss, welche Architektur sich im praktischen Einsatz durchsetzt.(sg)

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