Taiyi: A high-performance CKKS accelerator for Practical Fully Homomorphic Encryption

全同态加密（FHE）是一种新的密码学理论，可以直接在密文数据上进行计算，具有显著的安全优势，但受到性能开销的限制。近年来，一系列加速器设计显著提高了FHE应用的性能，使它们更接近实际应用。然而，这些加速器面临着与大型芯片内存和面积相关的挑战。此外，FHE算法正在快速发展，使得先前的加速器设计不太适应优化的FHE应用程序的不断变化。本文对使用新FHE方法的现有应用程序进行了详细分析，得出了两个关键观察结果：1）FHE应用程序的瓶颈从NTT转移到内积操作；2）随着乘法级别的降低，KeySwitch的最佳{\alpha}会发生变化。基于这些观察结果，我们设计了一个名为Taiyi的加速器，它包括用于内积操作的特定硬件，并通过算法推导优化NTT和BConv操作。与先前最先进的设计进行比较评估，Taiyi的平均性能提高了1.5倍，并将面积开销降低了15.7%。

本文试图通过设计一种名为Taiyi的加速器来提高Fully Homomorphic Encryption（FHE）应用的性能，解决FHE应用中存在的性能瓶颈和内存占用问题。

本文的关键思路是针对FHE应用中的性能瓶颈和内存占用问题，设计了一种新的加速器Taiyi，该加速器包括特定的硬件来处理内积操作，并通过算法推导来优化NTT和BConv操作。

本文的亮点在于提出了一种新的加速器Taiyi，该加速器相比之前的最先进的设计，在性能上提高了1.5倍，并减少了15.7%的面积开销。此外，本文还发现FHE应用的瓶颈从NTT转移到了内积操作，并且KeySwitch的最佳α值随着乘法级别的降低而改变。

最近在FHE领域，还有一些相关的研究，如《Faster Fully Homomorphic Encryption: Bootstrapping in less than 0.1 seconds》和《Faster Homomorphic Linear Transform with Efficient Matrix-Vector Multiplication over Encrypted Data》。