暗号化におけるハードウェアアクセラレーションの役割

暗号化アルゴリズムは、特に大量のデータを処理するか、秒単位で数千のトランザクションを処理する場合に、計算的に集中的に行われます。 現代のマイクロプロセッサは、専用のハードウェアアクセラレータを統合し、CPUから暗号化操作をオフロードし、レイテンシとエネルギー消費量を削減し、スループットを大幅に改善します。 このハードウェアレベルのサポートは、ビデオ会議、セキュアなWeb閲覧(TLS)、フルディスク暗号化、クラウド環境でのデータベースなどのリアルタイムアプリケーションにとって不可欠です。

AES-NIおよび関連指示セット

Intelの高度な暗号化標準新しい指示(AES-NI)は、x86プロセッサーで最も広く採用されているハードウェアアクセラレーション機能の1つです。 2010年に設立されたAES-NIは、AESラウンドの6つの新しい指示を提供します。 暗号化、復号化、およびキー拡張の1つのクロックサイクルで。 Benchmarksは、AES-NIが10〜15の要因によってAESの操作を加速できることを示しています。 AMDは、ほぼ同じようにして、デスクトップの指示を処理します。 これらの機能は、ほとんどのデバイスとほぼ同じように、デスクトップのアーキテクチャが、ほぼ同じように構成されています。

AESを超えて、Intelは、整合性チェックやデジタル署名に使用されるハッシュ関数のSHA拡張(SHA-NI)も提供しています。ARMの暗号拡張(ARMv8-Aの一部)には、AES、SHA-1、SHA-256、およびパブリックキー操作用のモジュラー算数のための同様のハードウェアサポートが含まれています。 RISC-Vプロセッサは、ますますIoTおよびエッジデバイスで使用されており、AES、SHA-1、SHA-256、および一般のScalar Cryptoの規格が、その他のScalar Cryptoの認証およびその他のScalarが使用されています。

ハードウェア ランダム 数値ジェネレーター (HRNGs)

すべての暗号プロトコルは、キー生成、非セイン、および初期化ベクトルの予測不可能なランダム番号に依存します。ソフトウェアベースの擬似ランダムな数値ジェネレータ(PRNG)は、適切に見つからない場合は予測可能である。HRNGは、時々、真のランダムな数値ジェネレータ(TRNG)と呼ばれる、熱騒音、クロックジッタ、量子効果などの物理現象からエントロピーを収穫する。これらは、マイクロプロセッサーに統合され、DRF1とDRF1:RBT/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/F/

受託実行環境(TEE)

プロセッサ設計の基本的なシフトは、セキュリティに敏感なコードとデータを分離した実行環境に分離することです。 信頼できる実行環境(TEE)は、侵害されたオペレーティングシステムやハイパーバイザーからアプリケーションを保護するハードウェア強化絶縁を提供します。 TEEは、モバイルデバイス、クラウドサーバー、自動車システムに統合されています。

インテルソフトウェアガードエクステンション(SGX)

Intel SGX は、アプリケーションが暗号化されたメモリ領域をエンクレーブと呼ばれるように作成することができます。 プロセッサは、アクセス制御を強化し、特権ソフトウェアがメモリを読み取り、書き込みできないようにします。 列内のコードは、完全性と機密性で実行され、SGX は、デジタルの権利管理(DRM)、暗号化キー、および機密クラウドワークロードを保護するのに適しています。 しかし、SGX は、インテルのセキュリティを保護するために、SGX は、その一部をセキュリティに保護するために、SGX を繰り返し、SGX が、SGX は、S は、S を のセキュリティ と 部分的なセキュリティ に応答し、S を するために、SGX 一部を 再 に します。

ARM TrustZone(アームトラストゾーン)

ARMのTrustZoneは、2004年以来、Cortex-Aプロセッサーで利用可能な「常態世界」(豊かなOS)と「安全な世界」(TEE)にシステムを分割します。 プロセッサーは、モニターモードを介して世界間で切り替え、バスレベルの信号は、安全なメモリにアクセスする通常の世界周辺機器を防止します。 TrustZoneは、スマートフォンで広く使用され、生体認証テンプレート、支払い資格情報、DRMキーを保存します。 QualcomのSecureZone(Secure-Zone)や、およびEntert-Zone(Secure-Zone)などの近代的な実装が、および、および、およびTrustZone(Secure)を拡張します。

AMDセキュア暗号化仮想化(SEV)

AMD SEVは、専用のセキュリティプロセッサ(AMD Secure Processor)を使用して、仮想マシン(VM)メモリを透明に暗号化します。各VMは独自の暗号化キーを取得しているため、ハイパーバイザーがゲストメモリを解読することはできません。SEV-ES(暗号化された状態)は、CPUレジスタを保護し、SEV-SNP(Secure Nested Paging)は、再生攻撃を防ぐための完全性を追加します。この技術は、AzureやGoogle Cloudなどのクラウドプロバイダによって広く採用され、機密コンピューティング環境を提供します。

セキュアなキーストレージとプロビジョニング

暗号化は、暗号化キー自体の保護としてのみ強力です。 マイクロプロセッサは、キーの浸潤を防ぐための専用の安全なストレージとプロビジョニングメカニズムを含みます。

信頼されるプラットホーム モジュール(TPM) 2.0

TPMは、暗号化キーを安全に生成、保存、管理する専用のチップまたはファームウェアベースのモジュール(fTPM)です。TPM 2.0は、Trusted Computing Group(TCG)によって標準化され、複数の暗号アルゴリズム(RSA、Intel、ECC、SHA-256)をサポートし、システムインテグレーションを検証するためのテスト機能を提供します。現代のプロセッサは、fTPMをチップセットやファームウェアに直接統合し、コストを削減し、速度を改善します。例えば、AMDのセキュリティプロセッサ(TPM)は、TPMおよびTPMTMP(T)の暗号化ディスクを実装します。

消費者デバイスにおけるセキュアな宣言

AppleのSecure Enclave Processor(SEP)は、独自のセキュアなブート、ROM、および暗号化されたメモリを備えた専用のマイクロコントローラです。 これは、タッチID、フェイスID、Apple Pay取引を管理し、主要なオペレーティングシステムにそれらを露出することなく、重要な材料と生体認証データを処理します。 SEPは、AESエンジン、楕円曲線暗号化(ECC)、および専用のTRNGを使用します。 同様に、GoogleのBluetooth Mセキュリティチップは、Androidのセキュリティ保護機能が保護された環境を提供し、セキュリティ保護されたアプリケーションは、ファイアウォールやセキュリティ保護されたアプリケーションで保護されたハードウェアが保護されています。

脅威と対策を発生させる

マイクロプロセッサがより強力になるにつれて、攻撃者はハードウェアから秘密を抽出するための新しい方法を開発します。 サイドチャネル攻撃、障害発生、量子コンピューティングの脅威は、積極的な設計変更を必要とします。

サイドチャネル攻撃

暗号操作は、タイミングの変動、消費電力、電磁的排出、またはキャッシュの分裂による情報漏洩を招きます。SpectreとMeltdown(2018)は、カーネルメモリまたは他のプロセスで行われた機密データを漏洩させる可能性があることを実証しました。 移行には、マイクロコードの更新、ソフトウェアの障壁(LFENCE、Speculation controlレジスタ)、およびIntelのなどのハードウェア再設計が、インテルの[FLT]の障害と[FLT]のエラーが、および[FLT]のエラーが表示されることがあります。 [FLT] および[FLT] および[FLT] などのエラーが、および[F] エラーが、および[F] エラーが、および[F] エラーが、 [F] エラーが、 [FLT] などのエラーが、 [F] などのエラーが、 [F] エラーが、 [FORDRR[F] が、 [F] エラーが、 [FORD ([F] エラーが、 [FORD ([F] エラーが、 [FORD ([F] エラーが、 [

後量子暗号(PQC)

Quantum コンピューターは、Shor のアルゴリズムを使用して RSA と ECC を十分に強力に分解します。 Microprocessor ベンダーは、NIST のポスト量子暗号標準化プロジェクトと連携して、] のような新しいアルゴリズムを統合しています。CRYSTALS-Kyber (キーカプセル化) および CRYSTALS-Dilithium] は、Paric および PARM の拡張機能がより大きいことを要求します。

規制コンプライアンス・業界標準

規制業界で使用されるマイクロプロセッサは、FIPS 140-3(米国)、 Common Criteria(ISO/IEC 15408)、およびGDPRやCCPAなどの局所データ保護法などの基準を遵守しなければなりません。例えば、FIPS 140-3 Level 2 以降では、改ざん防止コーティングと安全なキーのゼロ化が必要です。ハードウェアベンダーは、多くの場合、認証用のプロセッサーを提出します。Apple AシリーズとMシリーズチップ、Intel Xeon Scalable、およびAMD EPC は、すべての認証および認証を保有するすべての認証を保有する必要があり、その要件を満たしています。

未来展望

マイクロプロセッサーの設計の軌跡は、シリコンレベルでのセキュリティのより深い統合に向けたポイントです。 Homomorphic 暗号化は、暗号化されたデータを暗号化することなく計算できるだけでなく、実用的な使用のためにも遅くても、専用のアクセラレータ研究のメリットがあります。 完全同定暗号化 (FHE) アクセラレータは FPGA や ASIC にプロトタイプ化され、将来の CPU には、格子ベースの計算のための特殊なユニットが含まれている場合があります。 別の傾向は [FHE] 暗号化されたシステムと [FHE] および [JSF] の暗号化されたシステムと [JSF] および [JSF] の暗号化システム全体が暗号化されています。

最終的には、マイクロプロセッサ業界は、暗号化とデータのプライバシーがオプションのボルトオン機能ではなく、基本的なアーキテクチャ特性である「設計によるセキュリティ」哲学に向かって移動しています。サイバー脅威がより高度に向上するにつれて、高度な暗号化とプライバシープロトコルをサポートするマイクロプロセッサの能力は、競合他社と接続されたデバイスのための技術的な必要性を維持します。

[] 具体的な実装の詳細については、Intelの[を参照してください。 ]]、ARMのプラットフォームセキュリティアーキテクチャ]、NISTの[]ポスト量子暗号プロジェクト[[]]。 ]]