Puce IA sécurisée : calcul rapide et économe sur smartphone tout en protégeant les données utilisateur

Electronics & Sensors INSIDER

Une nouvelle puce peut accélérer efficacement les charges de travail d'apprentissage automatique sur des dispositifs de périphérie comme les smartphones tout en protégeant les données sensibles des utilisateurs contre deux types d'attaques courants — les attaques par canaux auxiliaires (side-channel) et les attaques par sondage de bus (bus-probing). (Image : Figure puce fournie par les chercheurs ; MIT News ; iStock)

Les applications de surveillance de santé peuvent aider les gens à gérer des maladies chroniques ou rester sur la bonne voie pour leurs objectifs de fitness, en utilisant rien de plus qu'un smartphone. Cependant, ces applications peuvent être lentes et énergivores car les vastes modèles d'apprentissage automatique qui les alimentent doivent être transférés entre un smartphone et un serveur de mémoire central.

Les ingénieurs accélèrent souvent les choses en utilisant du matériel qui réduit le besoin de déplacer autant de données d'avant en arrière. Bien que ces accélérateurs d'apprentissage automatique puissent rationaliser le calcul, ils sont vulnérables aux attaquants qui peuvent voler des informations secrètes.

Pour réduire cette vulnérabilité, des chercheurs du MIT et du MIT-IBM Watson AI Lab ont créé un accélérateur d'apprentissage automatique résistant aux deux types d'attaques les plus courants. Leur puce peut garder les dossiers de santé, informations financières ou autres données sensibles d'un utilisateur privées tout en permettant à d'énormes modèles IA de s'exécuter efficacement sur les dispositifs.

L'équipe a développé plusieurs optimisations qui permettent une forte sécurité tout en ne ralentissant que légèrement le dispositif. De plus, la sécurité ajoutée n'affecte pas la précision des calculs. Cet accélérateur d'apprentissage automatique pourrait être particulièrement bénéfique pour des applications IA exigeantes comme la réalité augmentée et virtuelle ou la conduite autonome.

« Bien qu'implémenter la puce rende un dispositif légèrement plus cher et moins économe en énergie, c'est parfois un prix qui vaut la peine d'être payé pour la sécurité », dit l'auteur principal Maitreyi Ashok, étudiante diplômée en Génie électrique et Informatique (EECS) au MIT.

« Il est important de concevoir avec la sécurité à l'esprit dès le départ. Si vous essayez d'ajouter même une quantité minimale de sécurité après qu'un système a été conçu, c'est prohibitivement cher. Nous avons pu équilibrer efficacement beaucoup de ces compromis pendant la phase de conception », dit Ashok.

Approche en trois volets pour la sécurité

Les chercheurs ont ciblé un type d'accélérateur d'apprentissage automatique appelé calcul en mémoire numérique (digital in-memory compute). Une puce IMC numérique effectue les calculs à l'intérieur de la mémoire d'un dispositif, où des morceaux d'un modèle d'apprentissage automatique sont stockés après avoir été déplacés depuis un serveur central.

Le modèle entier est trop grand pour être stocké sur le dispositif, mais en le divisant en morceaux et en réutilisant ces morceaux autant que possible, les puces IMC réduisent la quantité de données qui doit être déplacée d'avant en arrière.

Mais les puces IMC peuvent être vulnérables aux pirates. Dans une attaque par canal auxiliaire, un pirate surveille la consommation d'énergie de la puce et utilise des techniques statistiques pour faire de l'ingénierie inverse des données pendant que la puce calcule. Dans une attaque par sondage de bus, le pirate peut voler des morceaux du modèle et du jeu de données en sondant la communication entre l'accélérateur et la mémoire hors puce.

Le calcul en mémoire numérique accélère le calcul en effectuant des millions d'opérations à la fois, mais cette complexité rend difficile la prévention des attaques en utilisant des mesures de sécurité traditionnelles, dit Ashok.

Elle et ses collaborateurs ont adopté une approche en trois volets pour bloquer les attaques par canaux auxiliaires et par sondage de bus.

1. Fractionnement aléatoire des données

Premièrement, ils ont employé une mesure de sécurité où les données dans l'IMC sont divisées en morceaux aléatoires. Par exemple, un bit zéro pourrait être divisé en trois bits qui égalent encore zéro après une opération logique. L'IMC ne calcule jamais avec tous les morceaux dans la même opération, donc une attaque par canal auxiliaire ne pourrait jamais reconstruire l'information réelle.

Mais pour que cette technique fonctionne, des bits aléatoires doivent être ajoutés pour fractionner les données. Comme l'IMC numérique effectue des millions d'opérations à la fois, générer autant de bits aléatoires impliquerait trop de calcul. Pour leur puce, les chercheurs ont trouvé un moyen de simplifier les calculs, rendant plus facile la fraction efficace des données tout en éliminant le besoin de bits aléatoires.

2. Chiffrement léger pour la mémoire hors puce

Deuxièmement, ils ont prévenu les attaques par sondage de bus en utilisant un chiffrement léger qui chiffre le modèle stocké en mémoire hors puce. Ce chiffrement léger ne nécessite que des calculs simples. De plus, ils ne déchiffrent que les morceaux du modèle stockés sur la puce quand nécessaire.

3. Génération de clé sur puce via fonction physiquement non-clonable

Troisièmement, pour améliorer la sécurité, ils ont généré la clé qui déchiffre le chiffrement directement sur la puce, plutôt que de la faire aller et venir avec le modèle. Ils ont généré cette clé unique à partir de variations aléatoires dans la puce introduites pendant la fabrication, en utilisant ce qu'on appelle une fonction physiquement non-clonable (PUF).

« Peut-être qu'un fil sera un peu plus épais qu'un autre. Nous pouvons utiliser ces variations pour obtenir des zéros et des uns hors d'un circuit. Pour chaque puce, nous pouvons obtenir une clé aléatoire qui devrait être cohérente car ces propriétés aléatoires ne devraient pas changer significativement dans le temps », explique Ashok.

Ils ont réutilisé les cellules de mémoire sur la puce, exploitant les imperfections dans ces cellules pour générer la clé. Cela nécessite moins de calcul que de générer une clé à partir de zéro.

« Comme la sécurité est devenue un enjeu critique dans la conception de dispositifs de périphérie, il y a un besoin de développer une pile système complète se concentrant sur l'opération sécurisée. Ce travail se concentre sur la sécurité pour les charges de travail d'apprentissage automatique et décrit un processeur numérique qui utilise l'optimisation transversale. Il incorpore un accès aux données chiffré entre mémoire et processeur, des approches pour prévenir les attaques par canaux auxiliaires utilisant la randomisation, et l'exploitation de la variabilité pour générer des codes uniques. De tels designs seront critiques dans les futurs dispositifs mobiles », dit Anantha Chandrakasan, directeur de l'innovation et de la stratégie du MIT, Doyen de l'École d'ingénierie, et Professeur Vannevar Bush d'EECS.

Tests de sécurité

Pour tester leur puce, les chercheurs ont endossé le rôle de pirates et ont essayé de voler des informations secrètes en utilisant des attaques par canaux auxiliaires et par sondage de bus.

Même après des millions de tentatives, ils n'ont pas pu reconstruire d'information réelle ni extraire de morceaux du modèle ou du jeu de données. Le chiffrement est aussi resté incassable. En contraste, il a fallu seulement environ 5 000 échantillons pour voler des informations d'une puce non protégée.

Cependant, l'ajout de sécurité a réduit l'efficacité énergétique de l'accélérateur, et a aussi requis une plus grande surface de puce, ce qui la rendrait plus chère à fabriquer.

L'équipe prévoit d'explorer des méthodes qui pourraient réduire la consommation d'énergie et la taille de leur puce à l'avenir, ce qui la rendrait plus facile à implémenter à grande échelle.

« Comme cela devient trop cher, il devient plus difficile de convaincre quelqu'un que la sécurité est critique. Le travail futur pourrait explorer ces compromis. Peut-être pourrions-nous la rendre un peu moins sécurisée mais plus facile à implémenter et moins chère », dit Ashok.

Source