Implémentation du TFHE sur des systèmes embarqués à architecture RISC-V // Implementation of TFHE on RISC-V based embedded systems

Le chiffrement entièrement homomorphe (FHE, Fully Homomorphic Encryption) est une technologie qui permet d’effectuer des calculs directement sur des données chiffrées, ce qui signifie que l’on peut traiter des informations sans jamais connaître leur contenu réel. Par exemple, elle pourrait permettre d’effectuer des recherches en ligne où le serveur ne voit jamais ce que vous cherchez, ou encore des tâches d’inférence en intelligence artificielle sur des données privées qui demeurent entièrement confidentielles. Malgré son potentiel, les implémentations actuelles du FHE restent très coûteuses en calcul et nécessitent une puissance de traitement considérable, reposant généralement sur des processeurs (CPU) ou des cartes graphiques (GPU) haut de gamme, avec une consommation énergétique importante. En particulier, l’opération de bootstrapping représente un goulet d’étranglement majeur qui empêche une adoption à grande échelle. Les implémentations du FHE basées sur CPU peuvent dépasser 20 secondes sur des architectures x86 standards, tandis que les solutions ASIC personnalisées, bien que plus rapides, sont extrêmement coûteuses, dépassant souvent 150 mm² de surface en silicium. Ce projet de doctorat vise à accélérer le schéma TFHE, une variante plus légère et plus efficace du FHE. L’objectif est de concevoir et de prototyper des implémentations innovantes de TFHE sur des systèmes basés sur RISC-V, en visant une réduction significative de la latence du bootstrapping. La recherche explorera les synergies entre les techniques d’accélération matérielle développées pour la cryptographie post-quantique et celles applicables à TFHE, ainsi que des approches d'accélération de type "tightly-coupled" entre les cœurs RISC-V et les accélérateurs dédiés. Enfin, le projet étudiera la possibilité d’intégrer un domaine de calcul entièrement homomorphe directement au sein du jeu d’instructions du processeur.
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Fully Homomorphic Encryption (FHE) is a technology that allows computations to be performed directly on encrypted data, meaning that we can process information without ever knowing its actual content. For example, it could enable online searches where the server never sees what you are looking for, or AI inference tasks on private data that remain fully confidential. Despite its potential, current FHE implementations remain computationally intensive and require substantial processing power, typically relying on high-end CPUs or GPUs with significant energy consumption. In particular, the bootstrapping operation represents a major performance bottleneck that prevents large-scale adoption. Existing CPU-based FHE implementations can take over 20 seconds on standard x86 architectures, while custom ASIC solutions, although faster, are prohibitively expensive, often exceeding 150 mm² in silicon area. This PhD project aims to accelerate the TFHE scheme, a more lightweight and efficient variant of FHE. The objective is to design and prototype innovative implementations of TFHE on RISC-V–based systems, targeting a significant reduction in bootstrapping latency. The research will explore synergies between hardware acceleration techniques developed for post-quantum cryptography and those applicable to TFHE, as well as tightly coupled acceleration approaches between RISC-V cores and dedicated accelerators. Finally, the project will investigate the potential for integrating a fully homomorphic computation domain directly within the processor’s instruction set architecture (ISA).
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Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Systèmes et Circuits Intégrés Numériques (LIST)
Service : DSCIN
Laboratoire : Laboratoire Fonctions Innovantes pour circuits Mixtes
Date de début souhaitée : 01-10-2026
Ecole doctorale : Sciences et Technologies de l’Information et de la Communication (STIC)
Directeur de thèse : SIRDEY Renaud
Organisme : CEA
Laboratoire : DRT/DSCIN/DSCIN/LCYL
URL : https://list.cea.fr/en/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Systèmes et Circuits Intégrés Numériques (LIST)
Service : DSCIN

Master 2 ou diplôme d'engenieur