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CPU 기반 CKKS 완전 동형 암호(FHE) 연산 시 발생하는 하드웨어 결함에 대응하기 위한 효율적인 결함 허용 체계를 제안합니다. 세 가지 수준의 최적화를 통해 오버헤드를 최소화하면서도 100%의 결함 탐지율을 달성했습니다.
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원문 바로가기완전 동형 암호 (Fully homomorphic encryption, FHE)는 암호화된 데이터에 대한 연산을 가능하게 하지만, 긴 암호문 데이터 흐름 (ciphertext dataflow)과 고차원 모듈러 산술 (high-dimensional modular arithmetic)로 인해 일시적인 하드웨어 결함으로 인한 침묵 데이터 손상 (silent data corruption)에 취약합니다. 기존의 보호 방법들은 전용 가속기를 대상으로 하거나, CPU에 상당한 실행, 모듈러 산술 및 메모리 액세스 오버헤드를 부과합니다. 본 연구는 CPU 기반 CKKS 연산을 위한 효율적인 결함 허용 (fault-tolerance) 체계를 제시합니다. 이 체계는 세 가지 수준에서 보호 오버헤드를 줄이면서 다항식 연산자 (polynomial operators)의 입출력 일관성을 확인합니다. 첫째, 모듈러스 인식 버킷 체크섬 (modulus-aware bucket checksum)은 넓은 CPU 누산기 (accumulators)를 활용하여 비용이 많이 드는 모듈러 축소 (modular reductions)를 줄입니다. 둘째, 데이터 흐름 융합 연산자 내 검사 (dataflow-fused in-operator checking)는 체크섬 누산을 연산자 데이터 흐름에 내장하여, 긴 암호문 다항식을 별도로 스캔하는 것을 방지합니다. 셋째, 연산자 간 검사 융합 (cross-operator check fusion)은 종단 간 검사 불변성 (end-to-end checking invariants)을 유지하면서 인접한 연산자 사이의 중복된 체크섬 계산을 제거합니다. 우리는 이 체계를 OpenFHE에 구현하였으며, 무작위 단일 비트 일시적 결함 하에서 대표적인 암호화 애플리케이션 및 암호문 프리미티브 (ciphertext primitives)를 대상으로 평가하였습니다. 이 체계는 충돌(crashing)이 발생하지 않은 150,000개의 오염된 결과 사례 전체에서 100%의 실증적 탐지율을 달성하였으며, 광범위한 결함율 범위에서 결함이 없는 기준선(baseline)에 근접한 애플리케이션 정확도를 유지합니다. 이 체계는 실행 시간 오버헤드를 6.0%에서 8.4% 사이(평균 6.8%)로만 발생시키며, 직접적인 체크섬 기반 보호 방식과 비교했을 때 평균 보호 오버헤드를 4.9배 감소시킵니다.