Was ist Clockless Security und wie beeinflusst sie das CPU-Design?

Ausdruck Uhrlose Sicherheit klingt nach einem futuristischen Konzept.Tatsächlich hängt dies eng mit dem Design und den Schutzmechanismen aktueller Prozessoren und Systeme zusammen. Um dies richtig zu verstehen, müssen wir uns genauer ansehen, wie eine CPU intern funktioniert, wie die Befehlsausführung organisiert ist und welche Rolle das berühmte Taktsignal bei der Steuerung des gesamten Systems spielt.

In den letzten Jahrzehnten haben sich die Prozessoren einen Wettlauf um immer höhere Geschwindigkeiten geliefert. Taktfrequenz erhöhen, mehr Transistoren integrieren und deren Parallelität vervielfachenGleichzeitig sind Designs entstanden, die versuchen, sich von der Abhängigkeit vom globalen Takt zu lösen – entweder für den gesamten Chip oder in bestimmten Bereichen. Dieser Bereich, der asynchrone oder taktlose Designs, eröffnet sehr interessante Möglichkeiten hinsichtlich Stromverbrauch und Wärmeableitung … und birgt auch spezifische Sicherheitsherausforderungen, die oft unter dem Begriff „taktlose Sicherheit“ zusammengefasst werden.

Die CPU als Zentrum des Systems und ihre Beziehung zum Takt

Wenn wir über die Sicherheit von Smartwatches sprechen, ist es zunächst wichtig zu verstehen, was eine CPU genau ist. Im Wesentlichen ist sie… Die zentrale Verarbeitungseinheit ist das Gehirn des Computers.: die Komponente, die Programmanweisungen interpretiert und ausführt, Speicher, Ein-/Ausgabe und spezialisierte Koprozessoren wie GPUs koordiniert.

In einer modernen CPU finden wir mehrere unterschiedliche Blöcke. Auf der einen Seite gibt es die arithmetisch-logische Einheit (ALU)Die arithmetisch-logische Einheit (ALU) ist für mathematische und logische Operationen mit ganzen Zahlen zuständig. Daneben gibt es die Register, kleine, ultraschnelle Speicher, in denen die Daten abgelegt werden, mit denen der Prozessor gerade arbeitet. Und schließlich die Steuereinheit, die in jedem Taktzyklus entscheidet, was zu tun ist, was aus dem Speicher gelesen und was geschrieben werden soll.

Die meisten modernen Prozessoren sind synchron aufgebaut. Das bedeutet, dass alle internen Blöcke mithilfe eines Systems koordiniert werden. periodisches TaktsignalEine Art elektronisches Metronom gibt das Ausführungstempo vor. Jeder Takt dieses Taktgebers beschleunigt den sogenannten Befehlszyklus um einen Schritt: Der Befehl wird abgerufen, dekodiert, ausgeführt, die Ergebnisse werden gespeichert, und der Zyklus beginnt von neuem.

In einem herkömmlichen Prozessor wird der Takt von einem externen Oszillator erzeugt, der Millionen oder Milliarden von Impulsen pro Sekunde aussendet. Die Frequenz dieser Impulse, gemessen in Hertz, Megahertz oder Gigahertz, gibt an, wie viele Takte („Ticks“) der CPU pro Sekunde zur Verfügung stehen, um Daten zu verarbeiten und Operationen durchzuführen. Je höher die Taktfrequenz, desto mehr Arbeit kann pro Sekunde geleistet werden.vorausgesetzt, die übrige Architektur passt dazu.

Die Leistung hängt also nicht nur von der Uhr ab, sondern auch davon, wie viele Anweisungen pro Zyklus (IPC) Es ist in der Lage, den Prozessor zu vervollständigen. Das Produkt aus Frequenz und IPC (Instructions Per Cycle) gibt uns eine Vorstellung von den Millionen Befehlen pro Sekunde, die er ausführen kann, obwohl theoretische Werte in der Regel viel optimistischer sind als die, die bei realen Programmen tatsächlich beobachtet werden.

Von Festverdrahtung bis hin zu integrierten Mikroprozessoren

Um taktlose Designs in den Kontext zu setzen, ist es hilfreich, die Entwicklung der CPU zu betrachten. Frühe elektronische Computer, wie der ENIAC, waren verdrahtete Maschinen mit festem ProgrammUm die Aufgaben zu ändern, musste das System physisch neu verkabelt werden. Die revolutionäre Idee war der speicherprogrammierbare Computer, bei dem die Anweisungen im Speicher abgelegt sind; der Prozessor liest und führt sie lediglich aus.

Die mit John von Neumann verbundene Architektur für speicherprogrammierbare Systeme setzte sich schließlich durch. In ihr Anweisungen und Daten teilen sich denselben Speicherplatz.Im Gegensatz zur Harvard-Architektur, die beide Arten von Informationen physisch trennt, folgen heute fast alle Allzweck-CPUs einer Von-Neumann-Architektur, obwohl in der eingebetteten Welt noch viele reine oder hybride Harvard-Prozessoren existieren.

Die ersten Prozessoren wurden mit Relais oder Elektronenröhren gebaut. Sie waren sperrig, langsam und hatten eine Zuverlässigkeit sehr begrenzt. Der Sprung zum Halbleitertransistor in den 50er und 60er Jahren ermöglichte die Geschwindigkeit radikal erhöhen und den Verbrauch und die Größe reduzierenVon dort aus erfolgte der Übergang von diskreten Schaltungen zu integrierten Schaltungen (ICs), bei denen immer mehr Transistoren auf einem einzigen Chip untergebracht wurden.

Mit dem Aufkommen integrierter Schaltkreise, zunächst im kleinen Maßstab (SSI), dann im mittleren Maßstab (MSI), im großen Maßstab (LSI) und schließlich im sehr großen Maßstab (VLSI), wurde die CPU so weit verkleinert, bis sie passte. alles auf einem oder wenigen ChipsDiese Integration gipfelte im Mikroprozessor, bei dem die gesamte Verarbeitungseinheit auf einem einzigen Siliziumchip gefertigt wird.

El Intel 4004Der 1971 erschienene Intel 8080 war einer der ersten kommerziellen Mikroprozessoren. Leistungsstärkere Modelle folgten bald, darunter der Intel 8080, der die Grundlage für Personalcomputer bildete. Von da an wurde der Begriff CPU fast immer synonym für diese Mikroprozessoren verwendet.

Wichtige interne Komponenten einer modernen CPU

Moderne CPUs verwenden einen großen Teil ihrer Siliziumoberfläche für Hilfselemente, die für Folgendes ausgelegt sind: um jeden Taktzyklus optimal zu nutzenBeispielsweise verfügt fast jeder Prozessor über mehrere Cache-Ebenen: kleine, aber sehr schnelle Speicher in der Nähe der Kerne, die Kopien der am häufigsten verwendeten Daten speichern, damit diese nicht ständig auf den Arbeitsspeicher zugreifen müssen.

Zusätzlich zu den L1-, L2- und oft auch L3-Caches enthält eine komplexe CPU einen Speicherverwaltungseinheit (MMU) das virtuelle Adressen (die vom Betriebssystem verwaltet werden) in physische Adressen im RAM übersetzt und verwaltet virtueller Speicher und gewährleistet die Trennung der Prozesse.

Auf der Rechenebene befinden sich mehrere spezialisierte Ausführungseinheiten: die ALU für ganze Zahlen, die Gleitkommaeinheit (FPU) Für Dezimaloperationen werden Adressgenerierungseinheiten (AGUs) verwendet, um Speicheradressen schnell zu berechnen, und in vielen Architekturen werden Vektoreinheiten oder SIMDs verwendet, um mehrere Datenpunkte gleichzeitig zu verarbeiten.

Es gibt außerdem eine Steuereinheit, die entweder festverdrahtet oder mikrocodebasiert sein kann, d. h. eine internes Programm, das jede übergeordnete Anweisung übersetzt in einer Folge interner Steuersignale. Bei vielen Prozessoren kann dieser Mikrocode aktualisiert werden, wodurch Konstruktionsfehler korrigiert oder das Verhalten nachträglich angepasst werden kann.

Schließlich gibt es noch eine Reihe interner Register: Allzweckregister, Akkumulatoren, Programmzähler, Statusregister mit Flags, die beispielsweise anzeigen, ob das Ergebnis einer Operation null oder negativ ist oder einen Überlauf verursacht hat usw. All dies wird gemäß der klassischen Schleife koordiniert. Erfassung, Dekodierung und Ausführung von Anweisungen.

Wie man ein Programm Schritt für Schritt ausführt

Die grundlegende Funktionsweise einer jeden CPU lässt sich auf das Abrufen von Befehlen aus dem Speicher und deren Verarbeitung nacheinander reduzieren. Dies geschieht in drei Hauptphasen. Zunächst die Phase der Erfassung (Abruf), wobei die Anweisung, deren Adresse durch den Programmzähler angegeben wird, aus dem Speicher gelesen wird.

Als Nächstes folgt die Dekodierungsphase. Der neu erfasste Befehl durchläuft einen Binärdecoder, der seinen Operationscode (Opcode) untersucht und übersetzt dieses Bitmuster in konkrete Signale Diese Register aktivieren oder deaktivieren Teile des Prozessors. Dort wird entschieden, ob es sich um eine Addition, einen Sprung, einen Speicherzugriff usw. handelt und welche Register oder Adressen beteiligt sind.

Schließlich wird die Operation ausgeführt. Die ALU oder die entsprechende Einheit führt die Berechnung oder Datenverschiebung durch, und das Ergebnis wird üblicherweise in einem Register oder im Speicher abgelegt. Wenn der Programmablauf geändert werden muss, beispielsweise durch einen bedingten Sprung, wird der Programmzähler mit einer neuen Adresse aktualisiert. Anweisungen, Daten und Sprünge Sie ist es, die letztendlich Schleifen, Funktionen, Bedingungen und die gesamte Logik unserer Programme bildet.

Bei einfachen Prozessoren läuft alles linear und sequenziell ab. Aber bei modernen CPUs Viele dieser Phasen werden mithilfe von Parallelisierungstechniken überlappt.Ziel ist es, dass jeder Taktzyklus so viel Arbeit wie möglich verrichtet und die Hardware nicht im Leerlauf ist.

Parallelität, Kanalisierung und Ausführung in beliebiger Reihenfolge

Um die Uhr nicht zu verschwenden, führten die Designer die folgende Technologie ein: PipelinesDer Datenpfad ist, ähnlich einem Fließband, in mehrere Stufen unterteilt. Während eine Anweisung dekodiert wird, wird die nächste bereits aus dem Speicher geladen, und eine weitere kann bereits in der ALU ausgeführt werden.

Das Problem besteht darin, dass eine Anweisung manchmal das Ergebnis einer anderen benötigt, die noch nicht abgeschlossen ist. Dies führt zu Datenabhängigkeiten und erzwingt Wartezeiten in der Pipeline. Um diese Verzögerungen zu minimieren, werden Techniken wie Operandenweiterleitung, Sprungvorhersage und später die Ausführung außer Betrieb, bei dem der Prozessor die Anweisungen intern so lange neu anordnet, wie das Endergebnis des Programms eingehalten wird.

Der nächste Schritt war das superskalare Design: die Ausstattung des Prozessors mit mehreren Ausführungseinheiten desselben Typs, um in der Lage zu sein, Pro Taktzyklus werden mehrere Befehle ausgeführt.Vorausgesetzt, es bestehen keine Konflikte zwischen ihnen. Ein interner Dispatcher analysiert den Befehlsfluss, erkennt, welche Befehle parallel ausgeführt werden können, und verteilt sie auf die verschiedenen Einheiten.

Alle diese Tricks Sie gehören zu den sogenannten Instruktionsparallelität (ILP)Die praktischen Grenzen dieser Techniken und die zunehmende Schwierigkeit, die Taktraten weiter zu erhöhen, ohne den Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung signifikant zu steigern, führten dazu, dass die Hersteller ab einem gewissen Punkt auch begannen, in … zu investieren. Parallelität auf Aufgabenebene: mehrere Threads und mehrere Kerne pro Chip (und Mechanismen wie die Parkplätze für Kerne).

So werden sie geboren Multicore-Prozessoren und Architekturen mit Hardware-Multithreading, bei denen jeder Kern den Zustand mehrerer Ausführungsthreads verwalten und schnell zwischen ihnen wechseln kann, um interne Ressourcen besser zu nutzen, während einige Threads auf Daten aus dem Speicher warten.

Die Rolle der Taktfrequenz und ihre physikalischen Grenzen

Um auf den Takt zurückzukommen: Es ist wichtig zu beachten, dass das Signal, das den Prozessor synchronisiert, letztendlich ein elektrisches Signal, das sich durch den Chip ausbreitetMit steigenden Frequenzen und zunehmender Transistoranzahl wird es sehr schwierig, die perfekte Signalausrichtung über den gesamten Prozess hinweg aufrechtzuerhalten. Es treten Probleme mit der Taktverteilung, Phasenverschiebungen und der Signalintegrität auf.

Andererseits bewirkt jeder Taktwechsel, dass zahlreiche Transistoren ihren Zustand ändern, selbst wenn ein bestimmter Bereich des Prozessors in diesem Moment keine sinnvolle Aufgabe erfüllt. Dies bedeutet Energieverbrauch und Wärmeabfuhr Um das Metronom am Laufen zu halten, wurden Techniken wie Clock Gating eingeführt, die das Taktsignal in ungenutzten Blöcken gezielt abschalten und so den Energieverbrauch reduzieren.

Ab einem gewissen Schwellenwert ist eine weitere Frequenzerhöhung jedoch nicht mehr sinnvoll: Probleme mit Verbrauch, Temperatur und Taktverteilung nehmen sprunghaft zu. Dieser Engpass Dies ist einer der Gründe, warum die Idee, ganz oder teilweise auf eine globale Uhr zu verzichten, erforscht wurde: Hier kommen asynchrone oder „uhrenlose“ Designs ins Spiel.

Bei einem asynchronen Design wird anstelle eines einzelnen Taktgebers, der die Markierungen setzt, ein Taktgeber verwendet. die zeit für den gesamten Chip, Es sind die Daten und Steuersignale selbst, die die Operationen synchronisieren.Die Blöcke kommunizieren mittels Anfrage- und Bestätigungsprotokollen (Handshake): Wenn Daten bereit sind, benachrichtigt der Produzent den Konsumenten, und der Konsument reagiert, ohne auf eine feste Taktflanke zu warten.

Sie wurden gebaut voll asynchrone Prozessoren Kompatibel mit bekannten Befehlssätzen wie der ARM-basierten AMULET-Familie oder MIPS-basierten Projekten. Es gibt auch Hybrid-Designs, bei denen nur bestimmte Einheiten (z. B. eine bestimmte ALU) ohne globalen Takt arbeiten, während der Rest des Prozessors synchron bleibt.

Was verstehen wir unter uhrwerkloser Sicherheit?

Wenn von uhrzeitloser Sicherheit die Rede ist, vermischen sich zwei Ideen: zum einen asynchrones Design als Technik zur Reduzierung von Verbrauch und WärmeAndererseits bedeutet dies, dass man bei der Analyse, Überwachung und dem Schutz des Systemverhaltens vor Angriffen oder Ausfällen auf die Uhr verzichten kann.

In synchronen Systemen basieren viele Sicherheits- und Überwachungstools auf dem Vorhandensein eines stabiler und vorhersagbarer zeitlicher RhythmusEs ist relativ einfach, Zyklen zu zählen, die Dauer einer bestimmten Operation zu messen oder anomales Verhalten durch die Messung von Abweichungen in Zeiten zu erkennen, die eigentlich konstant sein sollten.

In einem asynchronen oder teilweise taktlosen System verlieren diese starren Zeitvorgaben an Bedeutung. Die Ausführungszeit einer Operation kann von der tatsächlichen Datenverfügbarkeit, der Auslastung bestimmter interner Routen oder geringfügigen physikalischen Abweichungen abhängen. Aus der Sicht eines Angreifers kann dies die Sicherheit erhöhen. schwieriger durchzuführende zeitbasierte Seitenkanalangriffeweil die globale Uhr, die als gemeinsame Referenz dient, verschwindet.

Diese dynamische Natur erschwert jedoch auch die interne Beobachtung und Überprüfung des Systems. Viele Sonden und Hardwarezähler arbeiten taktzyklusbasiert; ohne einen eindeutigen globalen Taktgeber, Leistung messen und verdächtige Aktivitäten aufdecken Dann sind weitere Kennzahlen und Mechanismen erforderlich.

Darüber hinaus ermöglicht das asynchrone Design, da es vom Takt unabhängig ist, die Aktivierung von Datenpfaden zu leicht unterschiedlichen Zeitpunkten bei jeder Ausführung, was potenziell Randomisiert temporäre Lecks Dies könnte aber auch andere Türen öffnen, beispielsweise in Form von unterschiedlichen und komplexeren Energieverbrauchsmustern, die durch Angriffe auf die Leistungsanalyse ausgenutzt werden könnten.

Datendarstellung, Wortgröße und Sicherheit

Ein weiterer wichtiger Faktor im Zusammenhang mit der CPU-Architektur ist die Art und Weise, wie sie Daten darstellt und verarbeitet. Fast alle modernen Prozessoren verwenden Binärdarstellung, wobei die Spannungswerte 0 und 1 entsprechen. Die Wortgröße (8, 16, 32, 64 Bit…) bestimmt den Bereich der direkt verarbeitbaren ganzen Zahlen und die Größe des adressierbaren Speichers.

Aus Sicherheitssicht beeinflusst die Wortgröße den Adressraum und die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen, Überläufe und ZeigerfehlerEin 32-Bit-System mit 2^32 möglichen Adressen weist im Vergleich zu einem 64-Bit-System deutliche Einschränkungen auf. Darüber hinaus benötigen viele moderne Schutzmechanismen, wie beispielsweise bestimmte Speichererweiterungen, einen großen Adressraum.

Die Verwendung von MMU und Adressübersetzung führt außerdem eine zusätzliche Schicht zwischen Programm und physischem Speicher ein, was für IsolierprozesseImplementieren Sie virtuellen Speicher und schützen Sie den Kernel. In asynchronen Kontexten muss die Koordination dieser Übersetzungen und die Kommunikation zwischen taktlosen Blöcken sehr sorgfältig geplant sein, um Sicherheitslücken oder Race Conditions zu vermeiden.

Vektorerweiterungen (SIMD) und Gleitkommaeinheiten ermöglichen wiederum die parallele Verarbeitung großer Datenmengen. Dies ist ein zweischneidiges Schwert: Einerseits Es beschleunigt kryptografische Algorithmen und Analyseaufgaben.Wird es hingegen missbräuchlich ausgenutzt, bietet es eine große Rechenkapazität, um schwache Verschlüsselungen zu knacken oder Brute-Force-Angriffe durchzuführen.

In einem taktlosen oder teilweise asynchronen Szenario muss bei der Programmierung und dem Schutz dieser parallelen Recheneinheiten Folgendes berücksichtigt werden: Ausführungs- und Konsummuster folgen nicht mehr einem festen, von der Uhr diktierten Rhythmus.Sie werden aber auf die tatsächliche Dynamik der Daten reagieren, was sich auch auf die Gestaltung von Gegenmaßnahmen gegen Seitenkanäle auswirkt.

Massive Parallelverarbeitung, Multithreading und Vektoren: Auswirkungen auf die taktlose Sicherheit

Moderne Prozessoren zielen darauf ab, die Leistung nicht nur durch höhere Taktraten zu steigern, sondern auch durch die parallele Ausführung von mehr Aufgaben. Dies erfordert mehrere Kerne, Hardware-Multithreading und Vektoreinheiten, die in der Lage sind, mehrere Datenpunkte pro Anweisung zu verarbeitenHinzu kommt der Aufstieg spezifischer Beschleuniger wie GPUs, DSPs oder TPUs.

Aus Sicherheitssicht stellt jeder neue Ausführungsblock und jede neue Parallelisierungsebene eine zusätzliche Angriffsfläche dar, die geschützt werden muss. Koordination ist unerlässlich. Cache-Konsistenz, Verwaltung des gemeinsamen Speichers, Mechanismen zum gegenseitigen Ausschluss und Vermeidung von Race Conditions und Informationslecks zwischen Threads oder parallelen Prozessen.

In taktlosen oder hybriden Umgebungen basiert diese Koordination stärker auf Kommunikationsprotokollen zwischen Blöcken als auf globalen Taktzyklen. Beispielsweise könnte ein Kernel verwenden Signale der Anfrage und der Erkennung um auf den Speicher oder eine gemeinsam genutzte Ressource zuzugreifen, und die effektive Verzögerung hängt vom tatsächlichen Datenverkehr zu diesem Zeitpunkt ab, nicht von einer festen Anzahl von Zyklen.

Dieses Verhalten erschwert, von außen betrachtet, bestimmte Angriffe, die auf sehr präzisen Zeitmessungen anhand der Anzahl von Taktzyklen basieren. Gleichzeitig müssen Sicherheitsentwickler jedoch über die reine Zykluszählung hinausgehen und sich auf … stützen. Ereigniszähler, Verkehrsmessung, Energieverbrauch und andere Anzeichen zur Erkennung verdächtigen Verhaltens.

Deshalb integrieren viele Hersteller Hardware-Leistungszähler, die eine Echtzeitüberwachung von Vorgängen wie Cache-Fehlern, fehlgeschlagenen Sprungvorhersagen, spezifischen Speicherzugriffen usw. ermöglichen. Bei korrekter Anwendung sind diese Zähler ein leistungsstarkes Werkzeug zur Leistungsoptimierung und... Anomale Muster finden charakteristisch von Malware oder fortgeschrittene Exploits, selbst in teilweise asynchronen Architekturen.

Virtualisierung, vCPU und Isolation in modernen Umgebungen

Ein weiterer Schlüsselfaktor in der heutigen Landschaft ist die Virtualisierung. In der Cloud arbeiten wir ständig mit Virtuelle CPUs (vCPU), die logische Fragmente der Verarbeitungskapazität darstellen, die zugewiesen sind virtuelle Maschinen oder Container auf gemeinsam genutzter physischer Hardware.

Jede vCPU ist im Wesentlichen eine Menge von Threads oder Ausführungszeiten, die der Hypervisor auf den physischen Kernen plant. Damit dies reibungslos funktioniert, bietet die physische CPU Folgendes: spezielle privilegierte Modi die es Hypervisoren ermöglichen, zu erstellen und zu isolieren virtuelle Maschinen, bestimmte sensible Anweisungen abzufangen und das Gedächtnis jedes Gastes zu verwalten, ohne dass diese sich gegenseitig stören oder ausspionieren können.

In diesem Kontext bedeutet taktlose Sicherheit, dass die Zuteilung der CPU-Zeit zwischen virtuellen Maschinen nicht nur von einem einheitlichen Takt abhängt, sondern auch von dynamischere Planungsmechanismen Die Hardware unterstützt dies. Der Hypervisor empfängt weiterhin Taktzyklen, aber die Art und Weise, wie diese Zyklen in effektive Arbeit auf jedem Kern umgewandelt werden, kann durch interne asynchrone Blöcke verändert werden.

Aus Sicherheitssicht erfordert dies die Entwicklung von Überwachungstools, die nicht nur Ticks zählen, sondern auch Leistungsindikatoren, Nutzungsstatistiken und Ereignisse auf niedriger Ebene interpretieren können. Ressourcenmissbrauch, Ausbrüche aus virtuellen Maschinen oder unregelmäßige Muster erkennen das deutet auf einen Einbruch hin.

Darüber hinaus müssen Sicherheitsverantwortliche in rechenintensiven Umgebungen, in denen Vektoreinheiten, GPUs und andere Beschleuniger voll ausgelastet sind, berücksichtigen, dass diese Blöcke, ob synchron oder asynchron, zu Werkzeugen für … werden können. Kryptoangriffe beschleunigen Kryptowährungen hinter dem Rücken des Nutzers schürfen oder die Analyse großer Mengen gestohlener Daten durchzuführen.

Leistung, Stromverbrauch und Übertaktung im Vergleich zu einem Design ohne Taktgeber

Abschließend müssen wir das Verhältnis zwischen Leistung und Stromverbrauch betrachten. Die Erhöhung der Taktfrequenz durch Übertakten (zum Beispiel durch eine Stabilitätstest mit OCCT) ermöglicht eine CPU mehr Operationen pro Sekunde ausführenDies führt jedoch zu einem deutlichen Anstieg des Stromverbrauchs und der Temperatur. Tatsächlich passen viele aktuelle Prozessoren ihre Frequenz und Spannung bereits dynamisch an die Auslastung und die interne Temperatur an.

Asynchrone Designs bieten eine Alternative: Anstatt einen sehr schnellen Takt zu verwenden und zu versuchen, alles phasengleich zu halten, Sie lassen jeden Block in dem Tempo funktionieren, das von den Daten vorgegeben wird.Bei geringer Last ändern inaktive Teile ihren Zustand kaum, wodurch der Verbrauch reduziert wird, ohne dass komplexe, taktbasierte Energiemanagementmechanismen erforderlich sind.

Aus Sicherheitsgründen bedeutet geringerer Verbrauch und weniger Wärme nicht nur eine Frage des Umweltschutzes oder der Stromrechnung. Es bedeutet auch geringere Belastung der Komponentendadurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen durch Elektromigration oder Stromverluste und es besteht potenziell eine geringere Gefährdung durch Angriffe, die versuchen, das Verhalten des Systems unter extremen Temperatur- oder Spannungsbedingungen auszunutzen.

Die Entwicklung eines vollständig asynchronen und sicheren Systems ist jedoch nicht trivial. Sie erfordert eine sehr strenge Überprüfung der Kommunikationsprotokolle zwischen den Blöcken, von Race Conditions und von Zwischenzuständen, um Fehler zu vermeiden. nicht-deterministische Verhaltensweisen, die von einem Angreifer ausgenutzt werden könnenDie Komplexität des Designs, der Mangel an ausgereiften Werkzeugen und die Notwendigkeit der Rückwärtskompatibilität mit bestehender Software haben dazu geführt, dass die meisten kommerziellen Prozessoren vorerst größtenteils synchron mit kleinen asynchronen Bereichen arbeiten.

Die Kombination all dieser Faktoren – interne Architektur, Taktverwaltung, Parallelverarbeitung, Virtualisierung und Energieverbrauch – macht die Sicherheit in Umgebungen ohne globalen Taktgeber zu einem heiklen Balanceakt. Asynchrone Designs mindern bestimmte zeitbasierte Angriffe und ermöglichen hochentwickelte Energiesparstrategien, stellen aber auch neue Herausforderungen an die Überwachung, Prüfung und Verifizierung des Hardwareverhaltens. Daher liegt der Schlüssel in der Integration. robuste Beobachtbarkeits- und Isolationsmechanismen vom Silizium selbst bis hin zur Software der höchsten Ebene.

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Holger

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