FHE: O futuro da computação privada

FHE( a criptografia homomórfica total ) é uma tecnologia de criptografia avançada que permite realizar cálculos diretamente em dados criptografados, processando dados enquanto protege a privacidade. O FHE tem várias aplicações potenciais, especialmente na área de processamento e análise de dados que requerem proteção de privacidade, como finanças, saúde, computação em nuvem, aprendizado de máquina, sistemas de votação, Internet das Coisas e proteção de privacidade em blockchain. No entanto, a comercialização do FHE ainda levará tempo, pois os principais obstáculos são o enorme custo computacional e de memória trazido por seus algoritmos, além da sua escalabilidade relativamente baixa.

Princípios Básicos

O núcleo do FHE é realizar cálculos em dados criptografados e obter resultados criptografados que, uma vez descriptografados, são consistentes com os resultados em texto claro. Para alcançar esse objetivo, o FHE utiliza polinômios para ocultar informações originais, uma vez que os polinômios podem ser convertidos em problemas de álgebra linear e problemas de cálculo vetorial, facilitando a otimização de cálculos paralelos em computadores modernos.

O processo básico de criptografia do FHE inclui:

• Escolha um polinómio de chave
• Gerar polinómios aleatórios
• Gerar um pequeno polinómio de "erro"
• Combinar o texto em claro com o polinómio acima para encriptar

Para evitar que a análise repetida quebre a FHE, foram introduzidos ruídos. No entanto, o ruído pode se acumular durante o processo de cálculo, podendo eventualmente levar a uma decriptação incorreta. Para resolver este problema, a FHE adotou as seguintes técnicas:

• Chave de troca: comprime o tamanho do texto cifrado, mas introduz um pequeno ruído
• Mudança de Módulo: Reduzir o ruído através da mudança de módulo
• Bootstrap: redefine o ruído para o nível inicial, mas o custo computacional é alto

Atualmente, as principais soluções de FHE são baseadas na tecnologia Bootstrap, incluindo BGV, BFV, CKKS, entre outras. Essas soluções têm vantagens distintas em circuitos aritméticos e circuitos booleanos.

Desafios enfrentados pelo FHE

O maior desafio do FHE é seu enorme custo computacional. Em comparação com a computação comum, o mesmo cálculo na versão FHE pode exigir até 500 milhões de vezes os recursos computacionais. Para melhorar o desempenho do FHE, a DARPA dos EUA lançou o programa Dprive, com o objetivo de aumentar a velocidade de cálculo do FHE para 1/10 da computação comum. O programa se concentra principalmente nos seguintes aspectos:

• Aumentar o comprimento da palavra do processador
• Construir processadores ASIC dedicados
• Construir uma arquitetura paralela MIMD

Embora o plano Dprive esteja prestes a expirar, parece que o progresso está lento e ainda não alcançou os objetivos esperados. Assim como a tecnologia ZK, a implementação de FHE também enfrenta limitações de hardware.

Apesar disso, a tecnologia FHE ainda possui um valor único a longo prazo, especialmente na proteção da privacidade de dados sensíveis. Para dados sensíveis críticos em áreas como militar, saúde e finanças, o FHE pode liberar o potencial de tecnologias como a IA, ao mesmo tempo em que protege a privacidade. Na era pós-quântica, essa segurança é especialmente importante.

A união da blockchain

No campo da blockchain, o FHE é principalmente utilizado para proteger a privacidade dos dados, com direções de aplicação incluindo privacidade na cadeia, privacidade de dados de treinamento de IA, privacidade em votações na cadeia, auditoria de transações privadas, entre outros. O FHE também é considerado uma das soluções potenciais para resolver o problema de MEV na cadeia.

No entanto, o FHE também enfrenta alguns desafios. As transações completamente criptografadas podem eliminar os efeitos positivos trazidos pelo MEV. Além disso, executar o FHE na máquina virtual aumentará significativamente os requisitos dos nós, reduzindo drasticamente a capacidade de processamento da rede.

Principais Projetos

Os principais projetos na área de FHE incluem:

• Zama: Construiu uma pilha de desenvolvimento FHE relativamente completa baseada no esquema TFHE
• Fhenix: Construir um Layer 2 de Optimism com foco na privacidade
• Privasea: Utilizando FHE para operações de dados LLM
• Inco Network: Construir FHE Layer 1
• Arcium: integração de técnicas criptográficas como FHE, MPC e ZK
• Mind Network: Resolve o problema de segurança da camada de consenso através da arquitetura de sub-rede FHE
• Octra: Implementar FHE usando tecnologia de hipergráficos, construir uma nova linguagem de contratos inteligentes e protocolo de consenso

Perspectivas Futuras

A tecnologia FHE ainda está em estágio inicial, e seu desenvolvimento não é tão avançado quanto o da tecnologia ZK. Os principais fatores limitantes incluem altos custos, grande dificuldade de engenharia e perspectivas comerciais incertas. Com o aumento do interesse do capital de risco em criptografia pela FHE, espera-se que mais fundos e projetos entrem neste campo.

A implementação do chip FHE é uma das premissas-chave para sua comercialização. Atualmente, várias empresas, como a Intel, Chain Reaction e Optalysys, estão explorando essa direção. Apesar de o FHE enfrentar várias resistências técnicas, como uma tecnologia com grande potencial e uma demanda clara, espera-se que traga profundas transformações em setores como defesa, finanças e saúde, liberando o enorme potencial da combinação de dados de privacidade com tecnologias futuras, como algoritmos quânticos.