Google ra mắt trình biên dịch HEIR: Đưa AI bảo mật bằng mã hóa đồng hình vào thực tế

Hôm nay, chúng tôi rất hào hứng giới thiệu HEIR, công cụ mạnh mẽ mới nhất được bổ sung vào Private Computing Toolkit của chúng tôi. HEIR là một trình biên dịch mã nguồn mở giúp mở khóa khả năng suy luận AI riêng tư được bảo mật bằng mật mã.

Mã hóa đồng hình (Homomorphic encryption)

Khi những lợi ích mới xuất hiện cùng với sự phát triển của AI, việc cân bằng giữa quyền riêng tư và bảo mật trở thành ưu tiên hàng đầu. Các biện pháp bảo vệ tiêu chuẩn như mã hóa đầu cuối (end-to-end encryption) tạo ra một sự đánh đổi: dữ liệu người dùng có thể được bảo vệ khỏi các vụ rò rỉ dữ liệu, nhưng nhà cung cấp dịch vụ lại không thể cung cấp các tính năng phụ thuộc vào dữ liệu đó, chẳng hạn như phát hiện thư rác hoặc virus. Các lĩnh vực quan trọng như y tế và tài chính thậm chí còn e ngại hơn trước những rủi ro này, và các quy định nghiêm ngặt hạn chế việc chia sẻ dữ liệu giữa các tổ chức. Các cơ chế thay thế để cung cấp những tính năng tương tự, như xử lý cục bộ (local processing), lại bị giới hạn bởi khả năng của thiết bị và tính nhạy cảm về sở hữu trí tuệ (IP) của nhà cung cấp dịch vụ. Việc chuyển giao các mô hình AI độc quyền sang thiết bị có nguy cơ làm lộ mô hình đó.

Một giải pháp cho những vấn đề này là mã hóa đồng hình, một công nghệ đang trưởng thành nhanh chóng, thay đổi căn bản sự đánh đổi này bằng cách cho phép thực hiện các phép tính trực tiếp trên dữ liệu đã mã hóa. Các máy chủ có thể xử lý văn bản mã hóa (ciphertexts) và trả về kết quả đã mã hóa mà không làm lộ bất kỳ thông tin cơ bản nào. Ví dụ, một dịch vụ đám mây có thể đưa ra các đề xuất nội dung mà không cần nhìn thấy đặc điểm của người dùng. Đây không phải là nói quá: một trong những bản demo được giới thiệu trong bài viết này thực hiện chính xác điều đó. Mặc dù mã hóa đồng hình có chi phí vận hành không hề nhỏ, nhưng nó chuyển sự đánh đổi giữa khả năng thực thi và quyền riêng tư thành một vấn đề về chi phí. Và chi phí cho mã hóa đồng hình đang giảm nhanh chóng.

Lịch sử đổi mới của Google trong công nghệ quyền riêng tư—từ quyền riêng tư vi sai (differential privacy) và thành viên tập hợp riêng tư (private set membership) đến truy xuất thông tin riêng tư (private information retrieval) và các vùng an toàn (secure enclaves) trên Google Cloud—luôn tập trung vào việc bảo mật dữ liệu người dùng. Mã hóa đồng hình là một công cụ mạnh mẽ khác mà chúng tôi đang thêm vào bộ công cụ điện toán riêng tư của mình. Giống như truy xuất thông tin riêng tư, và trái ngược với các giải pháp dựa trên phần cứng, các đảm bảo về bảo mật và quyền riêng tư mạnh mẽ của mã hóa đồng hình hoàn toàn dựa trên mật mã. Tuy nhiên, việc chuyển đổi thủ công một chương trình hiện có để sử dụng mã hóa đồng hình một cách hiệu quả đòi hỏi một đội ngũ chuyên gia mật mã.

Về HEIR

Để vượt qua những thách thức về khả năng sử dụng và thúc đẩy cơ hội mà mã hóa đồng hình mang lại, các nhà nghiên cứu và kỹ sư tại Google đã xây dựng dự án trình biên dịch HEIR. HEIR (Homomorphic Encryption Intermediate Representation) là một chuỗi công cụ biên dịch mã nguồn mở và nền tảng phát triển cho mã hóa đồng hình. Cụ thể, HEIR có thể chuyển đổi các mô hình AI đã được huấn luyện trước hoạt động trên dữ liệu chưa mã hóa sang hoạt động trên dữ liệu đầu vào đã mã hóa. Tầm nhìn của chúng tôi là biến HEIR thành một giải pháp "một cú nhấp chuột" để cho phép những người không chuyên có thể tích hợp suy luận mã hóa vào các ứng dụng thực tế.

Kể từ khi công bố ý định vào năm 2023, chúng tôi đã thấy cộng đồng mã hóa đồng hình đón nhận HEIR. Chúng tôi đã hợp tác với các công ty phát triển bộ tăng tốc phần cứng cho mã hóa đồng hình, bao gồm Belfort, Niobium, Cornami và Optalysys. Thành quả của những nỗ lực đó được thể hiện trong các bản demo của chúng tôi dưới đây, và chúng tôi dự định sẽ trình diễn những lợi ích về độ trễ của các bộ tăng tốc này trong tương lai gần. HEIR cũng đã trở thành một nền tảng nghiên cứu hiệu quả. Bằng cách xây dựng trên HEIR, các chuyên gia mật mã có thể tập trung vào các tối ưu hóa cụ thể của họ và sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có để thử nghiệm, đánh giá hiệu năng và so sánh. Điều này đã dẫn đến sự hợp tác với Georgia Tech, Carnegie Mellon, UC Santa Barbara, Illinois Institute of Technology, Purdue, Đại học Edinburgh, Đại học Thanh Hoa và những đơn vị khác. Cho đến nay, bốn ấn phẩm được bình duyệt đã được xây dựng dựa trên HEIR, với nhiều ấn phẩm khác đang được chuẩn bị, và HEIR đã tích lũy được vô số trích dẫn.

Các ứng dụng của HEIR

Để chứng minh mã hóa đồng hình đã tiến xa như thế nào, chúng tôi chia sẻ bốn ứng dụng suy luận riêng tư. Mỗi ứng dụng được biên dịch bằng HEIR và các con số về độ trễ được trình bày cho CPU đơn luồng. Mã nguồn cho tất cả các ví dụ đều có sẵn trong kho lưu trữ GitHub của chúng tôi.

Khi ngành công nghiệp phần mềm thích ứng với những thay đổi về bảo mật và quyền riêng tư trong bối cảnh AI, nhóm nghiên cứu của chúng tôi đang nỗ lực để làm cho mã hóa đồng hình trở nên dễ phát triển, chạy nhanh và phổ biến trên toàn ngành.