一位最近出院的心臟病患者正在使用智能手表來(lái)幫助監測他的心電圖信號。這款智能手表看起來(lái)非常安全，但處理該健康信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )使用的是私人數據，這些數據仍有可能被惡意代理通過(guò)側信道攻擊竊取。

　　邊信道攻擊試圖通過(guò)間接利用一個(gè)系統或其硬件來(lái)收集秘密信息。在一種類(lèi)型的邊信道攻擊中，精明的黑客可以在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )運行時(shí)監測設備的功耗波動(dòng)以提取從設備中“泄漏”出來(lái)的受保護信息。

　　“在電影中，當人們想打開(kāi)上鎖的保險箱時(shí)，他們會(huì )聽(tīng)鎖轉動(dòng)時(shí)的咔噠聲。這表明，可能向這個(gè)方向轉動(dòng)鎖會(huì )幫助他們進(jìn)一步進(jìn)行。這就是旁門(mén)左道攻擊，”麻省理工學(xué)院電子工程和計算機科學(xué)系(EECS)的研究生、一篇解決這一問(wèn)題的論文的第一作者Saurav Maji說(shuō)道：“它只是利用非預期的信息并利用它來(lái)預測設備內部正在發(fā)生的事情。”

　　目前能防止某些邊信道攻擊的方法是出了名得耗電，因此它們對于像智能手表這樣依賴(lài)低功耗計算的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備往往是不可行的。

　　現在，Maji和他的合作者已經(jīng)建立了一個(gè)集成電路芯片，它可以抵御電源邊信道攻擊，同時(shí)使用的能量遠遠低于常見(jiàn)的安全技術(shù)。該芯片比拇指甲還小，可以被整合到智能手表、智能手機或平板電腦中以對傳感器數值進(jìn)行安全機器學(xué)習計算。

　　“這個(gè)項目的目標是建立一個(gè)在邊緣進(jìn)行機器學(xué)習的集成電路，這樣它仍是低功耗的，但可以防止這些邊信道攻擊，這樣我們就不會(huì )失去這些模型的隱私，”麻省理工學(xué)院工程學(xué)院院長(cháng)、Vannevar Bush電氣工程和計算機科學(xué)教授、該論文的第一作者Anantha Chandrakasan表示，“人們沒(méi)有過(guò)多關(guān)注這些機器學(xué)習算法的安全性，而這個(gè)提議的硬件正在有效地解決這一空間。”

　　據悉，這項論文的共同作者包括Utsav Banerjee--他曾是EECS的研究生，現是印度科學(xué)研究所電子系統工程系的助理教授、Samuel Fuller--麻省理工學(xué)院的訪(fǎng)問(wèn)科學(xué)家和Analog Devices的杰出研究科學(xué)家。這項研究將在國際固態(tài)電路會(huì )議上發(fā)表。

　　隨機計算

　　該團隊開(kāi)發(fā)的芯片是基于一種被稱(chēng)為閾值計算的特殊類(lèi)型的計算。與其讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )對實(shí)際數據進(jìn)行操作，不如先將數據分成獨特的隨機成分。網(wǎng)絡(luò )在累積最終結果之前以隨機順序對這些隨機成分進(jìn)行單獨操作。

　　Maji稱(chēng)，使用這種方法，設備的信息泄露每次都是隨機的，所以它不會(huì )泄露任何實(shí)際的側信道信息。但這種方法在計算上更加昂貴，因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )現在必須運行更多的操作且還需要更多的內存來(lái)存儲雜亂的信息。

　　因此，研究人員通過(guò)使用一個(gè)函數來(lái)減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )處理數據所需的乘法量來(lái)優(yōu)化這一過(guò)程從而削減了所需的計算能力。他們還通過(guò)對模型的參數進(jìn)行加密來(lái)保護中性網(wǎng)絡(luò )本身。通過(guò)在加密前將參數分組，他們提供了更多的安全性，與此同時(shí)還減少了芯片上所需的內存量。

　　“通過(guò)使用這種特殊的功能，我們可以在進(jìn)行這種操作的同時(shí)跳過(guò)一些影響較小的步驟，這使我們可以減少開(kāi)銷(xiāo)。我們可以減少成本，但在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的準確性方面，它也伴隨著(zhù)其他的成本。因此，我們必須對我們選擇的算法和架構進(jìn)行明智的選擇，”Maji說(shuō)道。

　　現有的安全計算方法如同態(tài)加密提供了強大的安全保證，但它們在面積和功率方面產(chǎn)生了巨大的開(kāi)銷(xiāo)，這限制了它們在許多應用中的使用。研究人員提出的方法--旨在提供相同類(lèi)型的安全--能實(shí)現三個(gè)數量級的低能耗。通過(guò)精簡(jiǎn)芯片架構，研究人員還能在硅芯片上使用比類(lèi)似安全硬件更少的空間，這是在個(gè)人大小設備上實(shí)施芯片時(shí)的一個(gè)重要因素。

　　“安全問(wèn)題”

　　雖然提供了針對電源邊信道攻擊的重要安全性，但研究人員的芯片需要比不安全的基線(xiàn)實(shí)現多4.5倍的功率和0.6倍的硅面積。

　　“我們正處于安全問(wèn)題的關(guān)鍵時(shí)刻。我們必須愿意用一定量的能源消耗來(lái)?yè)Q取更安全的計算。這不是一份免費的午餐，”Chandrakasan說(shuō)道，“未來(lái)的研究可以集中在如何減少開(kāi)銷(xiāo)的數量以使這種計算更加安全。”

　　他們將他們的芯片跟一個(gè)沒(méi)有安全硬件的默認實(shí)現進(jìn)行了比較。在默認實(shí)現中，他們能在從設備上收集約1000個(gè)功率波形后恢復隱藏的信息。有了新硬件，即使在收集了200萬(wàn)個(gè)波形之后，他們仍無(wú)法恢復這些數據。

　　他們還使用生物醫學(xué)信號數據測試了他們的芯片以確保它能在現實(shí)世界的實(shí)施中發(fā)揮作用。Maji解釋稱(chēng)，該芯片非常靈活，可以被編程為用戶(hù)想要分析的任何信號。

　　魯汶大學(xué)電氣工程系計算機安全和工業(yè)密碼學(xué)研究小組的教授Ingrid Verbauwhede說(shuō)道：“安全為物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)的設計增加了一個(gè)新的維度，在性能、功率和能耗的設計之上。這個(gè)ASIC(特定應用集成電路)很好地證明了安全設計，在這種情況下，通過(guò)添加屏蔽方案不需要被視為一個(gè)昂貴的附加裝置。研究人員們認為，通過(guò)選擇屏蔽友好的計算單元并在設計過(guò)程中整合安全性，甚至包括隨機性發(fā)生器，--一個(gè)安全的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )加速器在物聯(lián)網(wǎng)背景下是可行的。”她沒(méi)有參與這項研究。

　　在未來(lái)，研究人員希望將他們的方法應用于電磁邊信道攻擊。這些攻擊更難防御，因為黑客不需要物理設備來(lái)收集隱藏信息。
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