Sicherheit bei Hochleistungsrechnern gewährleisten

High-Performance-Computing (HPC)-Geräte werden immer wichtiger für Sicherheitskritische Systeme wie selbstfahrende Autos und Drohnen. Diese leistungsstarken Geräte nutzen viele Kerne und Beschleuniger wie GPUs, um komplexe Aufgaben zu verarbeiten. Allerdings fehlt oft die nötige Unterstützung, um die Sicherheit in kritischen Anwendungen zu gewährleisten. Sicherheitsinseln sind spezialisierte Systeme, die zusammen mit HPC-Geräten arbeiten, um die Sicherheitsanforderungen für verschiedene Anwendungen zu erfüllen.

In diesem Artikel wird das Konzept einer Sicherheitsinsel, ihre wichtigsten Merkmale und mögliche Anwendungen diskutiert. Es wird auch erkundet, wie ein solches System die Leistung von HPC-Geräten verbessern kann, während die Sicherheit in kritischen Umgebungen gewährleistet bleibt.

#Was ist eine Sicherheitsinsel?

Eine Sicherheitsinsel fungiert als Begleiter zu HPC-Geräten und bietet die notwendigen Funktionen zur Verwaltung von Sicherheitsanforderungen. Diese Geräte sind entscheidend für die Ausführung von Anwendungen, die hohe Leistung und Zuverlässigkeit benötigen. Dennoch bieten Sicherheitsinseln verschiedene Möglichkeiten, diese Ziele zu erreichen, und ihre Designs variieren stark.

Die Hauptziele einer Sicherheitsinsel sind zweifach:

1. Eine breite Palette von Funktionen bereitzustellen, die verschiedene Sicherheitsanwendungen für HPC-Geräte ermöglichen.
2. Open-Source-Komponenten zu nutzen, um den Nutzern die Übernahme und Nutzung des Systems zu erleichtern.

#Der Bedarf an Sicherheit in HPC-Geräten

HPC-Geräte sind dafür ausgelegt, anspruchsvolle Aufgaben zu bewältigen, insbesondere in Bereichen wie künstlicher Intelligenz, wo mehrere Prozesse gleichzeitig ablaufen. Diese Systeme sind auf eine Vielzahl von Sensoren angewiesen, was eine komplexe Umgebung schaffen kann, die sorgfältige Handhabung erfordert.

Während HPC-Prozessoren in bestimmten Situationen fehlertolerante Operationen unterstützen können, benötigen sie oft zusätzliche Unterstützung von hochintegrierten Mikrocontrollern (MCUs), um die Sicherheitsbedürfnisse zu erfüllen. Das bedeutet, dass es nicht ausreicht, einfach ein HPC-Gerät zu verwenden; ein sorgfältig gestaltetes System ist entscheidend, um Risiken zu minimieren.

Sicherheitsinseln werden entwickelt, um die Einschränkungen von HPC-Geräten zu adressieren, und bieten einen sicheren Bereich zur Ausführung sicherheitsrelevanter Anwendungen.

#Wichtige Merkmale einer Sicherheitsinsel

Eine Sicherheitsinsel ist darauf ausgelegt, HPC-Geräte durch mehrere wesentliche Funktionen zu überwachen und zu unterstützen, die in drei Hauptkategorien unterteilt werden können: Kontrollierbarkeit, Beobachtbarkeit und Sicherheitsmassnahmen.

#Kontrollierbarkeitsmerkmale

Diese Merkmale stellen sicher, dass sicherheitskritische Anwendungen unter kontrollierten Bedingungen laufen. Dazu gehören:

• Proaktive Merkmale: Diese ermöglichen es den Nutzern, das HPC-Gerät so zu konfigurieren, dass Situationen vermieden werden, die zu Sicherheitsrisiken führen könnten, zum Beispiel indem man einschränkt, wie verschiedene Teile des Systems miteinander interagieren können.

• Reaktive Merkmale: Wenn Probleme nicht durch Konfiguration vermieden werden können, sind Überwachungswerkzeuge erforderlich, um Probleme zu erkennen und notwendige Massnahmen zu ergreifen, wie das vorübergehende Stoppen von Prozessen, die sich falsch verhalten.

#Beobachtbarkeitsmerkmale

Beobachtbarkeitsmerkmale sind entscheidend, um sicherzustellen, dass sowohl die Validierungs- als auch die Betriebsphasen reibungslos ablaufen. Sie umfassen Werkzeuge und Systeme, die Daten darüber sammeln, wie das Gesamtsystem funktioniert. Während beider Phasen trägt Beobachtbarkeit dazu bei:

• Die Systemleistung zu validieren.
• Fehler und Probleme während des Betriebs zu diagnostizieren.
• Daten bereitzustellen, um Sicherheitsmassnahmen zu verbessern.

#Sicherheitsmassnahmen

Sicherheitsmassnahmen konzentrieren sich auf die Verwaltung zufälliger Hardwarefehler und die Gewährleistung der Systemzuverlässigkeit. Sie beinhalten:

• Überwachungssysteme zur Erkennung von Fehlern und zur Diagnose ihrer Ursachen.
• Methoden zur Fehlertoleranz, um sicherzustellen, dass die Software trotz aller Fehler einen sicheren Betrieb aufrechterhalten kann.

#Integrationsherausforderungen für eine Sicherheitsinsel

Die Integration einer Sicherheitsinsel mit einem HPC-Gerät ist eine Herausforderung. Der Grad der Verbindung zwischen den beiden Systemen kann die Leistung und Modularität beeinflussen.

#Eng gekoppelte Integration

Bei einer eng gekoppelten Integration verbindet sich die Sicherheitsinsel direkt mit den Verbindungen des HPC-Geräts. Diese Konfiguration bietet bessere Kontrolle und Beobachtbarkeit und ermöglicht sofortige Reaktionen auf Probleme. Allerdings kann sie spezifische Änderungen für verschiedene Geräte erfordern, wodurch die Flexibilität eingeschränkt wird.

#Locker integrierte Systeme

Ein lockerer Integrationsansatz nutzt ein Chiplet-basiertes System mit vordefinierten Schnittstellen. Diese Methode erhöht die Modularität und Portabilität, kann jedoch die Leistung aufgrund von Kommunikationsverzögerungen einschränken.

Die Wahl der richtigen Integrationsmethode hängt von den spezifischen Anforderungen des Projekts und den Abwägungen zwischen Leistung und Flexibilität ab.

#Bedeutung der Integrationstechnologie

Sowohl die physische als auch die logische Integration der Sicherheitsinsel mit dem HPC-Gerät ist entscheidend für eine effektive Leistung. Der Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) ist eine Technologie, die darauf abzielt, die Verbindungen zwischen Chiplets zu standardisieren und so höhere Flexibilität und Effizienz zu ermöglichen.

#Systemsoftware und Sicherheitsüberlegungen

Die Software in der Sicherheitsinsel muss in der Lage sein, Berechtigungen für den Zugriff auf verschiedene Komponenten im HPC-Gerät zu verwalten. Dieser Aspekt ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die Sicherheitsinsel ihre Funktionen effektiv ausführen kann, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen.

Sicherheitsüberlegungen beinhalten auch die Fähigkeit, die Leistung mit niedriger Latenz zu überwachen. Probleme schnell zu beheben ist entscheidend, um Gefahren zu verhindern und die allgemeine Sicherheit aufrechtzuerhalten.

#Sicherheitsbedenken

Obwohl das Hauptziel einer Sicherheitsinsel darin besteht, die Sicherheit aufrechtzuerhalten, muss sie auch Sicherheitsmerkmale integrieren. Sicherheitsaspekte sind wichtig, um unbefugten Zugang oder Kontrolle innerhalb des Systems zu verhindern. Zu den wichtigen Aspekten gehören:

• Sicherstellen von sicheren Boot-Prozessen.
• Festlegen geeigneter Berechtigungen zur Kontrolle der Aktionen der Sicherheitsinsel.
• Aufrechterhaltung einer ständigen Überwachung zur Verhinderung bösartiger Angriffe.

#Potenzielle Anwendungen über die Sicherheit hinaus

Die Sicherheitsinsel kann auch ausserhalb von sicherheitskritischen Anwendungen genutzt werden, zum Beispiel zur Verbesserung von Sicherheit und Zuverlässigkeit in verschiedenen Systemen. Dieser Aspekt eröffnet Chancen für breitere Anwendungen in Industrien, die hohe Leistung neben strengen Zuverlässigkeitsanforderungen erfordern.

Beispielsweise könnten Server und Supercomputer, die strenge Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsanforderungen haben, erheblich von der Integration von Sicherheitsinseln profitieren. Funktionen wie Protokollierung und Überwachung könnten genutzt werden, um die Wiederherstellung von Fehlern effektiver zu unterstützen.

#Fazit

Der wachsende Bedarf an HPC-Geräten in sicherheitskritischen Systemen erfordert robuste Lösungen, um sicherzustellen, dass diese Geräte sicher arbeiten können. Eine Sicherheitsinsel bietet einen klaren Weg, um diesem Bedarf gerecht zu werden, und bietet wichtige Funktionen, die hohe Leistung bei gleichzeitiger Erfüllung von Sicherheitsanforderungen ermöglichen.

Durch die Integration effektiver Kontrollierbarkeits-, Beobachtbarkeits- und Sicherheitsmassnahmen kann die Sicherheitsinsel eine sicherere Nutzung von HPC-Geräten in kritischen Umgebungen ermöglichen. Darüber hinaus erstrecken sich ihre potenziellen Anwendungen über die Sicherheit hinaus und unterstreichen ihre Vielseitigkeit und Bedeutung in modernen Rechnersystemen.

Da die Nachfrage nach fortschrittlichen Computing-Technologien weiter wächst, wird die Entwicklung und Übernahme von Sicherheitsinseln zunehmend wichtig. Diese Systeme erhöhen nicht nur die Leistung von HPC-Geräten, sondern stellen auch sicher, dass Sicherheit bei ihrer Nutzung oberste Priorität hat, und ebnen den Weg für sicherere und zuverlässigere autonome Systeme.