Towards the AlexNet Moment for Homomorphic Encryption: HCNN, the First Homomorphic CNN on Encrypted Data With GPUs

MNIST数据库 同态加密 计算机科学 加密 卷积神经网络 云计算 架空(工程) 绘图 推论 深度学习 理论计算机科学 人工智能 计算机工程 计算机网络 操作系统
作者
Ahmad Al Badawi,Chao Jin,Jie Lin,Chan Fook Mun,Jun Jie Sim,Benjamin Hong Meng Tan,Nan Xiao,Khin Mi Mi Aung,Vijay Chandrasekhar
出处
期刊:IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:9 (3): 1330-1343 被引量:118
标识
DOI:10.1109/tetc.2020.3014636
摘要

Deep Learning as a Service (DLaaS) stands as a promising solution for cloud-based inference applications. In this setting, the cloud has a pre-learned model whereas the user has samples on which she wants to run the model. The biggest concern with DLaaS is the user privacy if the input samples are sensitive data. We provide here an efficient privacy-preserving system by employing high-end technologies such as Fully Homomorphic Encryption (FHE), Convolutional Neural Networks (CNNs) and Graphics Processing Units (GPUs). FHE, with its widely-known feature of computing on encrypted data, empowers a wide range of privacy-concerned applications. This comes at high cost as it requires enormous computing power. In this article, we show how to accelerate the performance of running CNNs on encrypted data with GPUs. We evaluated two CNNs to classify homomorphically the MNIST and CIFAR-10 datasets. Our solution achieved sufficient security level ( $> 80$ bit) and reasonable classification accuracy (99) and (77.55 percent) for MNIST and CIFAR-10, respectively. In terms of latency, we could classify an image in 5.16 seconds and 304.43 seconds for MNIST and CIFAR-10, respectively. Our system can also classify a batch of images ( $>$ 8,000) without extra overhead.
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