集成电路学院缪向水李祎教授团队取得存内可搜索加密系统最新研究成果

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新闻网讯 集成电路学院缪向水教授、李祎教授团队研究成果“首次展示基于阻变存储器的随机可控编程内存内搜索加密系统”（First Demonstration ofReRAM-based In-Memory Searchable Encryption System with Randomness-Controllable Programming）被IEEE国际电子器件会议（IEDM）接收并作口头报告。该工作也是团队连续第3年在IEDM会议上报告存算一体技术研究进展。论文提出国际首款基于阻变存储器（ReRAM）存算一体架构的可搜索加密系统，为高安全性高能效数据检索提供全新硬件解决方案。集成电路学院博士生付雨阳、余颖洁为论文的共同第一作者，李祎教授、缪向水教授、香港智能晶片与系统研发中心陈佳博士为共同通讯作者，集成电路学院为论文第一完成单位。

图中a为可搜索加密技术示意图，b为加密和搜索是可搜索加密的两大性能瓶颈。

大数据时代，数据的爆炸性增长产生了大量的隐私信息（如个人基因、健康状况）。可搜索加密（Searchable Encryption, SE）允许直接对密文进行数据检索，成为在海量数据中进行安全、高效数据搜索的重要技术路径。然而，伴随着量子计算技术的发展，基于格密码的高安全性后量子加密算法的引入使得可搜索加密的计算与存储开销显著增长，导致传统的冯·诺依曼架构在执行可搜索加密任务时面临严峻的延时与能耗瓶颈。

图为随机性可控编程方法示意。

缪向水、李祎教授团队提出一种基于阻变存储器的可搜索加密架构，在同一硬件中可重构实现了高效的原位加密与高并行数据搜索功能。针对原位加解密计算的高随机性需求与存内搜索的高精度计算需求之间的矛盾，团队通过对阻变存储器的电阻转变特性的细致研究，提出了一种“随机性可控编程（Randomness Controllable Programming）”方案，通过编程步长与截止范围的双重调制，实现了对器件编程随机性的精确控制。从而使得阻变存储器阵列能够在“高随机性”模式下利用器件固有的噪声作为熵源，完成基于最近向量问题（CVP）的一步存内加密；而在搜索模块中可将阵列配置为“低随机性”模式，执行高精度的欧氏距离（ED）存内搜索功能。

图中a为忆阻存内可搜索加密系统，b为搜索性能对比，c为加密性能对比。

团队构建国际上首个基于ReRAM的存内可搜索加密（IMSE）系统，应用于人脸识别数据集测试验证，该系统相较于商用GPU（RTX 4070Ti），在加密阶段能效实现约5000倍提升，延迟降低至1/25，在搜索阶段则展现出5倍的速度优势和约20000倍的能效优势。

研究得到国家科技创新2030重大研究项目、国家重点研发计划、国家高层次青年人才计划、湖北省自然科学基金杰出青年项目等资助，以及国家集成电路产教融合创新平台、先进存储器湖北省重点实验室的支持。共同作者还包括香港科技大学李健聪博士后、南方科技大学王中锐副教授、国防科技大学王义楠副教授等。

据悉，IEDM是半导体微电子器件领域的顶级会议，享有“微电子奥林匹克”的美誉，是国际半导体技术领军企业和国际顶尖高校发布最新技术进展的重要舞台。

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