Intel ha creato Heracles, un chip che calcola su dati cifrati 5.000 volte più velocemente

La possibilità di elaborare dati senza mai decifrarli rappresenta uno dei temi più promettenti della sicurezza informatica moderna. Questa tecnologia esiste già e prende il nome di Fully Homomorphic Encryption (FHE), ma il suo impiego su larga scala è frenato da un limite significativo: le prestazioni.

Sulle architetture tradizionali, infatti, l'esecuzione di operazioni su dati cifrati può richiedere migliaia o persino decine di migliaia di volte più tempo rispetto al calcolo su dati in chiaro. Proprio per ridurre questo divario, università, startup e grandi aziende stanno sviluppando acceleratori hardware dedicati.

Tra questi progetti figura Heracles, un chip sperimentale presentato da Intel durante l'ultima edizione della IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), e di cui si parla con dovizia di particolari su IEEE Spectrum. Il progetto Heracles è nato circa cinque anni fa all'interno di un programma della DARPA dedicato allo sviluppo di hardware specializzato per la crittografia omomorfica.

Secondo i dati mostrati dall'azienda, il prototipo sarebbe in grado di accelerare alcune operazioni FHE fino a 5.000 volte rispetto a una CPU server basata su Intel Xeon.

La Fully Homomorphic Encryption consente di eseguire operazioni matematiche su dati cifrati producendo un risultato anch'esso cifrato, che può essere decifrato solo dal proprietario dei dati. In questo modo un servizio cloud potrebbe, ad esempio, analizzare informazioni sensibili senza mai accedere al contenuto in chiaro.

Le applicazioni possibili includono l'analisi di dati sanitari, verifiche elettorali o interrogazioni su database sensibili. Tuttavia, il metodo introduce diverse complessità. Uno dei principali problemi è l'espansione dei dati cifrati: mentre nella crittografia tradizionale il testo cifrato ha dimensioni simili al dato originale, nella FHE può diventare ordini di grandezza più grande. Inoltre, le operazioni matematiche coinvolgono numeri estremamente grandi e procedure specifiche necessarie per ridurre il rumore crittografico.

CPU e GPU possono eseguire questi calcoli, ma non sono progettate per farlo in modo efficiente: le prime non offrono sufficiente parallelismo, mentre le seconde privilegiano calcoli a precisione ridotta.

Il chip è realizzato con tecnologia FinFET a 3 nanometri e ha dimensioni notevolmente superiori rispetto ad altri prototipi accademici di acceleratori FHE. All'interno del package, raffreddato a liquido, sono integrati 48 GB di memoria ad alta larghezza di banda (HBM), una configurazione più tipica delle GPU utilizzate per l'addestramento dei modelli di intelligenza artificiale.

Il cuore dell'architettura è costituito da 64 core di calcolo organizzati in una griglia 8x8 progettati per eseguire operazioni SIMD (Single Instruction Multiple Data). Questi core sono specializzati nell'elaborazione delle operazioni matematiche alla base della FHE, in particolare trasformazioni polinomiali e altre funzioni crittografiche.

I vari blocchi del chip sono collegati da una rete mesh bidimensionale on-chip con bus da 512 byte, mentre il sistema dispone di 64 MB di cache e di una banda interna che può raggiungere 9,6 TB/s. Per migliorare l'efficienza complessiva, l'architettura gestisce tre flussi di istruzioni simultanei: uno per il trasferimento dati verso e dal processore, uno per la movimentazione interna e uno dedicato alle operazioni matematiche.

Durante una dimostrazione all'ISSCC, Intel ha simulato una query privata su un database cifrato, scenario simile a quello di un elettore che vuole verificare la registrazione del proprio voto senza rivelare informazioni sensibili. Nel test, l'operazione ha richiesto 15 millisecondi su una CPU Xeon, mentre Heracles ha completato la stessa elaborazione in 14 microsecondi.

La differenza diventa significativa quando il carico cresce: la verifica di 100 milioni di schede elettorali richiederebbe circa 17 giorni di lavoro su CPU, contro circa 23 minuti sul chip dedicato. In altre operazioni critiche della FHE, Intel ha registrato accelerazioni comprese tra 1.074 e oltre 5.500 volte.