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和大數據及信息安全共同發展的半導體芯片

更新時間2022-05-30 點擊數6847

圖1：信息技術深入日常生活方方面面

自從1994年中國全功能接入互聯網以來，信息技術正滲透入人們每一天的生活。從出門需要攜帶現金、交通卡和銀行卡并備好各類面值的零錢，到一臺手機搞定所有支付，也不過短短28年。隨著信息技術的飛速發展，大數據應運而生，數據處理量及共享率顯著提升，信息安全成為炙手可熱的話題。

*近場通信（NFC，Near Field Communication)：是一種可以實現點對點雙向傳輸的新興技術。通過嵌入NFC芯片，智能手機、手表等設備能夠實現無接觸支付、門禁控制等功能。

圖2：中國飛速發展的信息技術

四大層面加強信息安全

數據信息是數據經濟發展的核心要素，也是國家重要資產和基礎戰略資源。據統計，2020年全球數據泄漏數量超過去15年總和a。新技術、新業務快速發展，特別是這些年來人工智能等技術的層出不窮，也為信息安全帶來全新挑戰。信息安全的保障措施不斷更新迭代。

意識升級，注意信息泄漏

就個人層面而言，我們在網頁瀏覽、軟件下載、社交平臺使用、賬號密碼設置過程中都可能涉及到信息安全問題。及時下載防詐騙APP，支付密碼與其他登錄密碼進行區別設定，不隨意下載未經平臺審核的APP，都能幫助我們減少信息泄漏。

政策升級，不斷加碼

信息安全不僅僅是企業和個人關心的話題，更涉及國家層面的安全。因此，中國也針對信息安全發布了一系列的法律法規。其中，2016年發布、2017年實施的《網絡安全法》是中國第一部全面規范網絡空間安全管理方面問題的基礎性法律，是讓“互聯網+”在法治軌道上健康運行的重要保障。

圖3：中國信息安全相關政策發展

硬件升級，設備安全

在硬件層面，安全芯片內部擁有獨立的處理器和存儲單元，可存儲密鑰和特征數據。沒有任何人可以竊取到其中的解密過程，只有輸入正確的指令后，安全芯片才會通知機器運行下一步指令。

目前比較常見的安全芯片是可信賴平臺模塊（TPM, Trusted Platform Module）安全芯片，它能處理設備中的加密密鑰，有效地保護個人計算機，防止非法用戶訪問。其設計基于由多家信息技術巨頭聯合成立的可信賴計算組織所提出的TPM規范。任何應用皆可使用TPM芯片以實現數字版權保護、保護并執行軟件許可等。

除TPM芯片外，由SK電訊（SKT，SK Telecom）旗下ID Quantique（IDQ）研發的量子隨機數發生器（QRNG，Quantum Random Number Generator）安全芯片可加密終端外部存儲器數據，通過生成不可預測的隨機一次性密碼（OTP，One Time Password），幫助用戶安全使用認證、金融、通訊等安全需求高的服務功能。

此外，蘋果（Apple）現行的T2安全芯片以保護設備密鑰、針對麥克風實行硬件阻斷（Hardware disconnect）等功能為核心特色。谷歌（Google）于2019年加入了OpenTitan項目，鼓勵廠家為數據中心和消費級設備開發信任根（Root-of-Trust）技術，設計開源安全芯片，修復芯片設計中固件和數據處理流程的故障，設定全新的信息安全體系。

圖4：各類安全芯片及主要廠家b

除安全芯片外，量子計算機、超級計算機等具有強大數據處理能力與高速運算能力的計算機也在保護信息安全方面發揮長處。通過結合使用人工智能與精密分析軟件，此類在大數據處理上具備指數級優勢的計算機能夠成功偵破網絡威脅并再度加密，確保自有數據的安全性c。IBM（International Business Machines Corporation）即于近日宣布，計劃在2025年推出4000量子比特（qubit）處理器的量子計算機，拓展大規模實用量子計算，并推出量子安全相關產品。量子計算機的實現離不開其核心的量子芯片的發展，它將量子線路集成在基片上，進而承載量子信息處理的功能。與此同時，隨著量子計算的不斷升級，未使用量子安全保護的數據在未來都可能在一定程度上面臨風險，量子安全標準將成為熱點議題。

技術升級，授權與隱私

信息安全在技術層面的進展，主要可以分為訪問控制與隱私計算，一個就是我們俗稱的授權，另一個則針對常讓我們困擾的大數據分析。

訪問控制負責對用戶可否進入系統以及能夠讀寫的數據集范圍進行決策。在當前大數據時代，傳統的訪問控制技術在授權管理、策略描述、細粒度控制、隱私保護、實施架構等方面都面臨新的挑戰，也對計算機的數據處理能力提出了更高的要求。

圖5：訪問控制的分類

隱私計算是涵蓋眾多學科的交叉融合技術，目前主流的隱私計算技術主要分為三大方向：基于密碼學的隱私計算技術、人工智能和隱私保護技術融合衍生的技術，以及基于可信硬件的隱私計算技術。

隱私計算的較新研究趨勢是同態加密（HE，Homomorphic Encryption）d，一種基于數學難題的計算復雜性理論的密碼學技術。數據需要通過云端或者服務器，經由加密、處理、解密得出結果。但除了個人用戶之外，包括服務器在內的任何一方，都無法看到原始數據，較大限度地保護用戶隱私。

圖6：同態加密技術效果

同態加密分為兩種：只滿足乘法同態或者加法同態的密碼學算法為半同態加密（SHE，Somewhat Homomorphic Encryption 或 PHE，Partially Homomorphic Encryption）；既滿足乘法同態又滿足加法同態，則為全同態加密（FHE，Fully Homomorphic Encryption）。

同態加密與不加密計算相比，多出了兩個步驟，因而需要高達幾千或幾萬倍的巨大計算量。并且，隨著計算的進行，密文大小會不斷膨脹，不僅對存儲力提出了挑戰，更導致計算愈發緩慢。目前，對于主流的同態加密算法來說，復雜的運算及較長的運算時間使其在生產行業中的落地頗受阻礙。因此，未來研究的關鍵領域將圍繞如何通過專門設計的同態加速器大幅提高計算性能，進而縮短服務時間。

SK海力士產品助力數據處理，保障信息安全

在享受大數據時代紅利并不斷完善信息安全體系、發展相關技術的同時，我們也在面臨數據處理需求的挑戰升級：量子計算機、安全芯片等應用的不斷拓展，推動半導體技術的不斷前行；而訪問控制、隱私計算等信息安全技術的發展，對芯片的算力、存儲力及穩定性也提出越來越高的標準。SK海力士通過孜孜不倦的產品研發與技術革新，開發出一代又一代穩定性高、功能強大的存儲芯片，大力支持信息安全技術的進步，為信息通訊的健康發展保駕護航。

PIM技術e

SK海力士開發出下一代智能內存芯片技術——內存中處理（PIM, Processing in Memory），它可以直接在內存中處理數據，無需把數據從內存讀取到中央處理器（CPU, Central Processing Unit）再進行處理，以此較大限度地減少數據傳輸量，提高復雜運算的能源效率。研究表明，此類數據處理方式能應用于同態加密等計算密集型技術，通過結構層面的調整減少延遲、提高能效f。

SK 海力士還開發出了公司首款基于PIM技術的產品 —— GDDR6-AiM（Accelerator-in-Memory，內存加速器）的樣本。GDDR6-AiM是將計算功能添加到數據傳輸速度為16Gbps的GDDR6內存的產品。與傳統DRAM相比，將GDDR6-AiM 與 CPU、圖形處理器（GPU, Graphics Processing Unit）相結合的系統，可在特定計算環境中將演算速度提高至較高16倍。GDDR6-AiM有望在機器學習、高性能計算、大數據計算和存儲等領域得到廣泛應用，其強大的算力更能為同態加密等計算密集型信息安全技術提供有力支持。

圖7：SK海力士GDDR6-AiM

HBM3 DRAMg

不少研究發現，全同態加密的主要性能瓶頸在于其對主內存帶寬的高要求h。SK海力士的HBM3（High-Bandwidth Memory）DRAM能夠每秒處理819GB的數據，相當于能夠在一秒內傳輸 163部全高清（Full-HD）電影（每部5GB）。它由多個垂直連接的DRAM芯片組合而成，是一種高價值產品，創新性地提高了數據處理速度。與此同時，該產品還內置了ECC校檢（On Die-Error Correction Code）。HBM3通過該內置型ECC校檢可以自身修復DRAM單元（Cell）的數據的錯誤，因此產品的可靠性和穩定性也大幅提高。HBM3 DRAM的設計理念結合ECC校檢，能在提高計算效率的同時，提高準確度，讓信息能夠更加安全穩定地輸出。

圖8：SK海力士 HBM3 DRAM

在信息互聯成為剛需的大數據時代，無論是對政府、機構、企業，還是個人而言，信息安全都是亟待解決的重要議題。作為全球知名的半導體供應商，SK海力士在不斷加強內部信息安全管理體系的同時，更致力于通過探索前沿技術，提升芯片性能，助力信息安全的進一步發展。暢想未來，我們期待信息安全問題得以在各類政策框架及信息技術的支持下得到合理且妥善的解決，讓信息共享無憂，為我們的生活帶來更多便利。