Towards GPU Accelerated FHE Computations

Fully homomorphic encryption (FHE) enables processing encrypted data without revealing sensitive information, making it applicable in fields like healthcare, finance, and legal. Despite its benefits, FHE has high computational complexity and performance overhead. To address this, researchers have explored hardware acceleration using Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) and Graphics Processing Units (GPUs). FPGAs are suitable for low-latency computations, while GPUs excel in parallel, high-throughput tasks. However, widespread FHE adoption remains elusive due to unresolved performance issues.This paper explores the challenges of offloading FHE computations to hardware accelerators, focusing on the OpenFHE library and the Brakerski-Gentry-Vaikuntanathan (BGV) scheme. It is the first study on adapting this scheme for GPU acceleration. We profile OpenFHE to identify computational bottlenecks and propose integrating parallelized CUDA computations within OpenFHE. Our solution, tested with varying numbers of multiplicative depth, shows up to 26x performance improvement over non-accelerated implementations, proving the effectiveness of GPUs for FHE. However, the end-to-end performance is still up to 2x slower due to the overhead of marshaling and moving data between the CPU and GPU, accounting for over 97\% of execution time

Αρχιτεκτονικές αξιόπιστης λειτουργίας σύγχρονων μικροεπεξεργαστών

Technology scaling, extreme chip integration and the compelling requirement to diminish the time-to-market window, has rendered microprocessors more prone to design bugs and hardware faults. Microprocessor validation is grouped into the following categories, based on where they intervene in a microprocessor’s lifecycle: (a) Silicon debug: the first hardware prototypes are exhaustively validated, (b) Manufacturing testing: the final quality control during massive production, and (c) In-field verification: runtime error detection techniques to guarantee correct operation. The contributions of this thesis are the following: (1) Silicon debug: We propose the employment of deconfigurable microprocessor architectures along with a technique to generate self-checking random test programs to avoid the simulation step and triage the redundant debug sessions, (2) Manufacturing testing: We propose a self-test optimization strategy for multithreaded, multicore microprocessors to speedup test program execution time and enhance the fault coverage of hard errors; and (3) In-field verification: We measure the effect of permanent faults on performance components. Then, we propose a set of low-cost mechanisms for the detection, diagnosis and performance recovery in the front-end speculative structures. This thesis introduces various novel methodologies to address the validation challenges posed throughout the life-cycle of a chip.Η εξέλιξη των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε συνδυασμό με τους αυστηρούς χρονικούς περιορισμούς καθιστούν την επαλήθευση της ορθής λειτουργίας των επεξεργαστών μία εξαιρετικά απαιτητική διαδικασία. Με κριτήριο το στάδιο του κύκλου ζωής ενός επεξεργαστή, από την στιγμή κατασκευής των πρωτοτύπων και έπειτα, οι τεχνικές ελέγχου ορθής λειτουργίας διακρίνονται στις ακόλουθες κατηγορίες: (1) Silicon Debug: Τα πρωτότυπα ολοκληρωμένα κυκλώματα ελέγχονται εξονυχιστικά, (2) Manufacturing Testing: ο τελικό ποιοτικός έλεγχος και (3) In-field verification: Περιλαμβάνει τεχνικές, οι οποίες διασφαλίζουν την λειτουργία του επεξεργαστή σύμφωνα με τις προδιαγραφές του. Η διδακτορική διατριβή προτείνει τα ακόλουθα: (1) Silicon Debug: Η εργασία αποσκοπεί στην επιτάχυνση της διαδικασίας ανίχνευσης σφαλμάτων και στον αυτόματο εντοπισμό τυχαίων προγραμμάτων που δεν περιέχουν νέα -χρήσιμη- πληροφορία σχετικά με την αίτια ενός σφάλματος. Η κεντρική ιδέα αυτής της μεθόδου έγκειται στην αξιοποίηση της έμφυτης ποικιλομορφίας των αρχιτεκτονικών συνόλου εντολών και στην δυνατότητα από-διαμόρφωσης τμημάτων του κυκλώματος, (2) Manufacturing Testing: προτείνεται μία μέθοδο για την βελτιστοποίηση του έλεγχου ορθής λειτουργίας των πολυνηματικών και πολυπύρηνων επεξεργαστών μέσω της χρήση λογισμικού αυτοδοκιμής, (3) Ιn-field verification: Αναλύθηκε σε βάθος η επίδραση που έχουν τα μόνιμα σφάλματα σε μηχανισμούς αύξησης της απόδοσης. Επιπρόσθετα, προτάθηκαν τεχνικές για την ανίχνευση και ανοχή μόνιμων σφαλμάτων υλικού σε μηχανισμούς πρόβλεψης διακλάδωση

Co-designed Innovation and System for Resilient Exascale Computing in Europe: From Applications to Silicon (EuroEXA)

EuroEXA targets to provide the template for an upcoming exascale system by co-designing and implementing a petascale-level prototype with ground-breaking characteristics. To accomplish this, the project takes a holistic approach innovating both across the technology and the application/system software pillars. EuroEXA proposes a balanced architecture for compute and data-intensive applications, that builds on top of cost-efficient, modular-integration enabled by novel inter-die links, utilises a novel processing unit and embraces FPGA acceleration for computational, networking and storage operations. EuroEXA hardware designers work together with system software experts optimising the entire stack from language runtimes to low-level kernel drivers, and application developers that bring in a rich mix of key HPC applications from across climate/weather, physical/energy and life-science/bioinformatics domains to enable efficient system co-design and maximise the impact of the project