FHE: Будущее вычислений с защитой конфиденциальности

Полная гомоморфная криптография ( FHE ) — это современная криптографическая технология, которая позволяет выполнять вычисления непосредственно на зашифрованных данных, обеспечивая при этом обработку данных с защитой конфиденциальности. FHE имеет потенциальные применения в таких областях, как финансы, здравоохранение и облачные вычисления, но из-за огромных вычислительных затрат в настоящее время сталкивается с проблемами коммерциализации.

Основные принципы FHE

Ядро FHE заключается в скрытии оригинальной информации с помощью многочленов. Упрощенная система FHE в основном включает в себя следующие шаги:

1. Выберите многочлен ключа s(x)
2. Сгенерировать случайный многочлен a(x)
3. Сгенерировать небольшой "ошибочный" многочлен e(x)
4. Зашифрованный открытый текст m: c(x) = m + a(x)*s(x) + e(x)

Введение шума e(x) необходимо для предотвращения того, чтобы злоумышленники получали связь между s(x) и c(x) через повторный ввод. Однако шум также создает проблему: с увеличением числа вычислений шум будет накапливаться и в конечном итоге может привести к невозможности правильного расшифрования.

Для решения проблемы шума FHE использует следующие ключевые технологии:

• Переключение ключа: Сжатие размера зашифрованного текста
• Переключение модуля: уменьшение шумового бюджета
• Bootstrap: сбросить шум до исходного уровня

В настоящее время основные схемы FHE используют технологию Bootstrap, среди представительных реализаций можно выделить BGV, BFV, TFHE и другие.

Проблемы, с которыми сталкивается FHE

Основная проблема FHE заключается в огромных вычислительных затратах. По сравнению с обычными вычислениями, скорость вычислений FHE медленнее примерно в 1 миллион раз. Для ускорения вычислений FHE американское агентство DARPA запустило программу DPRIVE с целью увеличить скорость вычислений FHE до 1/10 обычных вычислений. Программа в основном сосредоточена на следующих аспектах:

1. Увеличить разрядность процессора
2. Создание специализированных ASIC-процессоров
3. Использование параллельной архитектуры MIMD

Хотя план DPRIVE еще не достиг ожидаемых целей, в долгосрочной перспективе технология FHE по-прежнему имеет важное значение для обработки конфиденциальных данных, особенно в эпоху постквантовых технологий.

Применение FHE в блокчейне

В области блокчейна FHE может использоваться для защиты конфиденциальности данных на цепочке, конфиденциальности данных для обучения ИИ, конфиденциальности голосования и т.д. Некоторые проекты пытаются применить FHE для защиты от MEV, но также сталкиваются с проблемами эффективности и потери положительных внешних эффектов.

Основные проекты блокчейна FHE на данный момент включают:

• Zama: предоставляет стек разработки на основе TFHE
• Fhenix: Создание Layer 2 с приоритетом на конфиденциальность
• Privasea: использование FHE для вычислений данных LLM
• Inco Network: строительство FHE Layer 1
• Mind Network: сочетая Restaking, предоставляет подсеть на основе FHE
• Octra: Использует технологии гиперграфов для реализации FHE

Будущее

Технология FHE все еще находится на ранней стадии, сталкиваясь с такими вызовами, как низкая эффективность и высокие затраты. Однако с увеличением финансирования и исследований, а также разработкой специализированных чипов, FHE обещает привести к глубоким преобразованиям в таких областях, как оборона, финансы, здравоохранение и т.д. Хотя путь долог, FHE как будущее вычислений с защитой конфиденциальности имеет огромный потенциал.