CKKS 부트스트랩 (Bootstrapping)

암호문은 생성시 잔여 곱셈 횟수가 설정이 되어있고 이후 곱셈을 할 때마다 결과물의 잔여 곱셈 횟수(level)가 줄어드는 방식입니다. 잔여 곱셈 횟수가 0인 암호문은 더이상 곱셈을 할 수 없고 부트스트래핑 연산을 해야합니다.

사용 방법

부트스트랩 연산에는 부트스트랩 키가 필요합니다. 부트스트랩 연산에 필요한 모든 고정 회전 키로 이루어져 있어서 크기가 12.3GB 정도입니다.

from desilofhe import Engine

engine = Engine(bootstrap=True)
secret_key = engine.create_secret_key()
public_key = engine.create_public_key(secret_key)
relinearization_key = engine.create_relinearization_key(secret_key)
conjugation_key = engine.create_conjugation_key(secret_key)
bootstrap_key = engine.create_bootstrap_key(secret_key)

message = [-1, 0, 1]
ciphertext = engine.encrypt(message, public_key, level=0)
bootstrapped = engine.bootstrap(
    ciphertext, relinearization_key, conjugation_key, bootstrap_key
)

간이 부트스트랩 키

부트스트랩 키를 대신해 회전 키와 간이 부트스트랩 키를 사용해서도 부트스트랩을 수행할 수 있습니다. 회전 키를 사용하여 메모리 사용이 3.8GB 정도로 적지만 느립니다.

from desilofhe import Engine

engine = Engine(bootstrap=True)
secret_key = engine.create_secret_key()
public_key = engine.create_public_key(secret_key)
relinearization_key = engine.create_relinearization_key(secret_key)
conjugation_key = engine.create_conjugation_key(secret_key)
roll_key = engine.create_roll_key(secret_key)
small_bootstrap_key = engine.create_small_bootstrap_key(secret_key)

message = [-1, 0, 1]
ciphertext = engine.encrypt(message, public_key, level=0)
bootstrapped = engine.bootstrap(
    ciphertext,
    relinearization_key,
    conjugation_key,
    roll_key,
    small_bootstrap_key,
)

벤치마크

다음은 부트스트랩의 성능 벤치마크입니다. 실험환경은 CPU의 경우 Intel(R) Core(TM) i7-10700K CPU @ 3.80GHz 을 사용하였고 GPU의 경우 NVIDIA GeForce RTX 5090를 사용하였습니다. 10번 측정한 값의 평균치입니다.

Key Size	Runtime (s) 1 Thread	8 Threads	GPU
Small	113.277	33.300	1.170
Medium	33.816	10.113	0.116

부트스트랩 정밀도

다음은 부트스트랩의 정밀도입니다. [-1, 1] 사이에 고루 분포한 메세지를 기준으로 부트스트랩 오차의 평균을 측정한 값입니다. 부호 부트스트랩의 경우 부호 메세지(-1 또는 1)를 기준으로 측정되었습니다.

	Average error	Precision	고밀도 Average error	고밀도 Precision
Bootstrap	1.08748e-06	19.8 bits	7.02514e-07	20.4 bits

다음 코드로 측정하였습니다.

부트스트랩

import numpy as np
from desilofhe import Engine

engine = Engine(bootstrap=True)

secret_key = engine.create_secret_key()
relinearization_key = engine.create_relinearization_key(secret_key)
conjugation_key = engine.create_conjugation_key(secret_key)
bootstrap_key = engine.create_bootstrap_key(secret_key)

message = np.linspace(-1, 1, engine.slot_count)

ciphertext = engine.encrypt(message, secret_key)
bootstrapped = engine.bootstrap(
    ciphertext, relinearization_key, conjugation_key, bootstrap_key
)
decrypted = engine.decrypt(bootstrapped, secret_key)

average_noise = np.mean(abs(message - decrypted))
print(f"Bootstrap Average Noise :{average_noise}")
print(f"Bootstrap Average Noise (Bits) :{np.log2(average_noise)}")