FxHENN: FPGA-based acceleration framework for homomorphic encrypted CNN inference

计算机科学 现场可编程门阵列 推论 加速 卷积神经网络 硬件加速 设计空间探索 计算机工程 加密 嵌入式系统 并行计算 人工智能 操作系统
作者
Yilan Zhu,Xinyao Wang,Lei Ju,Shanqing Guo
标识
DOI:10.1109/hpca56546.2023.10071133
摘要

Fully homomorphic encryption (FHE) is a promising data privacy solution for machine learning, which allows the inference to be performed with encrypted data. However, it typically leads to 5-6 orders of magnitude higher computation and storage overhead. This paper proposes the first full-fledged FPGA acceleration framework for FHE-based convolution neural network (HE-CNN) inference. We then design parameterized HE operation modules with intra- and inter- HE-CNN layer resource management based on FPGA high-level synthesis (HLS) design flow. With sophisticated resource and performance modeling of the HE operation modules, the proposed FxHENN framework automatically performs design space exploration to determine the optimized resource provisioning and generates the accelerator circuit for a given HE-CNN model on a target FPGA device. Compared with the state-of-the-art CPU-based HE-CNN inference solution, FxHENN achieves up to 13.49X speedup of inference latency, and 1187.12X energy efficiency. Meanwhile, given this is the first attempt in the literature on FPGA acceleration of fullfledged non-interactive HE-CNN inference, our results obtained on low-power FPGA devices demonstrate HE-CNN inference for edge and embedded computing is practical.
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