Hardware implementation of homomorphic encryption

Implantation matérielle de chiffrements homomorphiques

Asma Mkhinini (1)

1 TIMA - Techniques de l'Informatique et de la Microélectronique pour l'Architecture des systèmes intégrés

One of the most significant advances in cryptography in recent years is certainly the introduction of the first fully homomorphic encryption scheme by Craig Gentry. This type of cryptosystem allows performing arbitrarily complex computations on encrypted data, without decrypting it. This particularity allows meeting the requirements of security and data protection, for example in the context of the rapid development of cloud computing and the internet of things. The algorithms implemented are currently very time-consuming, and most of them are implemented in software. This thesis deals with the hardware acceleration of homomorphic encryption schemes. A study of the primitives used by these schemes and the possibility of their hardware implementation is presented. Then, a new approach allowing the implementation of the two most expensive functions is proposed. Our approach exploits the high-level synthesis. It has the particularity of being very flexible and generic and makes possible to process operands of arbitrary large sizes. This feature allows it to target a wide range of applications and to apply optimizations such as batching. The performance of our co-design was evaluated on one of the most recent and efficient homomorphic cryptosystems. It can be adapted to other homomorphic schemes or, more generally, in the context of lattice-based cryptography.

Une des avancées les plus notables de ces dernières années en cryptographie est sans contredit l’introduction du premier schéma de chiffrement complètement homomorphe par Craig Gentry. Ce type de système permet de réaliser des calculs arbitraires sur des données chiffrées, sans les déchiffrer. Cette particularité permet de répondre aux exigences de sécurité et de protection des données, par exemple dans le cadre en plein développement de l'informatique en nuage et de l'internet des objets. Les algorithmes mis en œuvre sont actuellement très coûteux en temps de calcul, et généralement implantés sous forme logicielle. Les travaux de cette thèse portent sur l’accélération matérielle de schémas de chiffrement homomorphes. Une étude des primitives utilisées par ces schémas et la possibilité de leur implantation matérielle est présentée. Ensuite, une nouvelle approche permettant l’implantation des deux fonctions les plus coûteuses est proposée. Notre approche exploite les capacités offertes par la synthèse de haut niveau. Elle a la particularité d’être très flexible et générique et permet de traiter des opérandes de tailles arbitraires très grandes. Cette particularité lui permet de viser un large domaine d’applications et lui autorise d’appliquer des optimisations telles que le batching. Les performances de notre architecture de type co-conception ont été évaluées sur l’un des cryptosystèmes homomorphes les plus récents et les plus efficaces. Notre approche peut être adaptée aux autres schémas homomorphes ou plus généralement dans le cadre de la cryptographie à base de réseaux.

Mots clés: Integrated digital systems; Secured systems; Homomorphic encryption; High level synthesis

Mots clés: Systèmes intégrés numériques; Systèmes sécurisés; Chiffrement homomorphique; Synthèse de haut niveau

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique

Asma Mkhinini. Implantation matérielle de chiffrements homomorphiques. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Grenoble Alpes; Ecole Nationale d'Ingénieurs de Sousse (Tunisie), 2017. Français. ⟨NNT : 2017GREAT092⟩. ⟨tel-01772355⟩