IT-Kapazitäten für kritische Sicherheitsfunktionen verstärken
In digitalen Systemen bildet die Verarbeitung von Informationen eine grundlegende Aufgabe. Verschiedene Arten von Berechnungen profitieren meist von unterschiedlichen Arten von Prozessoren oder Halbleiterchips. Eine besonders anspruchsvolle Gruppe von Aufgaben wird als „Arbeitslasten mit hohem Zufallsanteil“ bezeichnet. Es handelt sich hierbei um Berechnungen, deren Leistung und Sicherheit entscheidend von der Verwendung großer Mengen hochwertiger Zufallszahlen abhängen. Zu den typischen Anwendungsfällen zählen Kryptografie, sichere Kommunikation und Datensicherheit. „Je schwieriger die Zahlen vorherzusagen sind, desto schwieriger ist es, den Schutz zu durchbrechen“, erklärt Carlos Abellan, Projektkoordinator von RPU(öffnet in neuem Fenster) bei Quside(öffnet in neuem Fenster) in Spanien. „Die Qualität der Zufälligkeit bestimmt unmittelbar, wie sicher ein System ist.“
Rechenleistung zur Ausführung von Kryptografie
Diese Arbeitslasten weisen oft spezifische Anforderungen auf, denen die existierenden Rechenplattformen nicht vollständig gerecht werden können. „Die gegenwärtig auf dem Markt erhältlichen Lösungen weisen in zweierlei Hinsicht Mängel auf“, erläutert Abellan. „Qualität und Leistungsfähigkeit ihrer hardwaregestützten Zufallsgenerierung sowie die für die Ausführung von Kryptografie erforderliche Rechenleistung.“ Um diesem Problem zu begegnen, hat das Team von Quside die Randomness Processing Unit (RPU) entwickelt. Es handelt sich um einen Hardware-Beschleuniger, der speziell für Arbeitslasten mit hohem Zufallsanteil, insbesondere für kryptografische Anwendungen, entwickelt wurde. „Das Besondere an der RPU ist, dass sie zwei Funktionen in einer einzigen Plattform vereint“, fügt José Martinez, Chefarchitekt des Projekts RPU, hinzu. „Erstens verfügt sie über integrierte Quanten-Zufallszahlengeneratoren, die mit hoher Geschwindigkeit tatsächlich unvorhersehbare Zufallszahlen erzeugen. Zweitens weist die RPU umprogrammierbare Hardware auf, sodass Nutzende die Plattform an ihre eigenen kryptografischen Algorithmen, Sicherheitsprotokolle und Anwendungsanforderungen anpassen können.“
Optimierte Photonikchips
Das Team des vom Europäischen Innovationsrat(öffnet in neuem Fenster) unterstützten Projekts RPU strebte an, diese Technologie durch die Entwicklung von Photonikchips zur Quanten-Zufallszahlenerzeugung weiter voranzutreiben. Diese wurden hinsichtlich der Anforderungen an Energieversorgung, Größe und Leistung verschiedener Hardwarebeschleuniger und Anwendungen optimiert. „Insbesondere wurden zwei Ziele verfolgt“, erklärt Abellan. „Dabei handelte es sich zum einen um eine Plattform für Hochleistungsanwendungen, für die ein optimierter Photonikchip entwickelt wurde, und zum anderen um ein in höchstem Maße skalierbares eingebettetes Bauelement, für das eine kompakte, integrierte Lösung geschaffen wurde, die Photonik mit einem ersten Siliziumchip zur Steuerung der Elektronik kombiniert.“ Auf technischer Ebene umfasste die Projektarbeit die Entwicklung photonisch integrierter Chips zur Erzeugung von Quanten-Zufallsdaten sowie die Entwicklung der Hardwareplattform und -architektur zur Ausführung von Arbeitslasten mit hohem Zufallsanteil. Es wurden Anwendungen und Integrationen für künstliche Intelligenz und kryptografische Software erarbeitet, wobei diese Aufgabe in Zusammenarbeit mit potenziellen Endnutzern gelöst wurde.
Von Rechenzentren bis hin zu Weltraumsystemen
Das Projektteam lieferte vier wesentliche Ergebnisse. „Zunächst haben wir einen neuen Photonikchip entwickelt, der den Stromverbrauch bei der Zufallsgenerierung halbiert und den Steuerungsaufwand um das Fünffache reduziert“, berichtet Abellan. „Zweitens haben wir den Weg für Garnet X5 geebnet, eine optimierte RPU-Vorrichtung für kryptografische Anwendungen, die auf den Markt kommen wird.“ Erste Prototypen werden voraussichtlich Ende 2026 verfügbar sein; die Markteinführung ist für 2027 geplant. Quside konnte zudem eine Vielzahl von kryptografischen Bibliotheken einbeziehen, sowohl quelloffene als auch herstellerspezifische. „Das bedeutet, dass die Einführung dieser Technologie fast keinen Integrationsaufwand erfordert“, stellt Abellan fest. „Zu guter Letzt fertigten wir unseren ersten ASIC (einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis), der dafür ausgelegt ist, eine hochoptimierte RPU in zukünftigen eingebetteten und Edge-Geräten auszuführen. „In ihrer Gesamtheit werden diese Produktlinien den Einsatz der RPU-Technologie in einem breiten Spektrum von Anwendungsbereichen von Rechenzentren und Telekommunikationsinfrastruktur bis hin zu Edge-, Industrie- und Weltraumsystemen ermöglichen.“ Auf diese Weise wird die Arbeit des Projekts RPU zu einem wichtigen Baustein für die nächste Generation von Sicherheitsarchitekturen in ganz Europa werden, wobei kritische Sektoren wie Weltraum, Verteidigung, Telekommunikation, Rechenzentren, kritische Infrastrukturen und Regierungssysteme unterstützt werden.
