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\begin{otherlanguage}{ngerman}
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\chapter*{Kurzzusammenfassung}
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\addcontentsline{toc}{chapter}{Kurzzusammenfassung}
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\todo{Re-translate, manually check translation}
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\marginpar{This section is a machine-translated copy of the English abstract below.}
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Mit kryptografischen Fortschritten und Techniken wie der formalen Verifizierung, die zu immer sichererer Software
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führen, rückt die Hardwareebene in den Fokus der aktuellen Computersicherheitsforschung. Der Stand der Technik in
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der Hardwaresicherheit stützt sich jedoch oft noch auf den Einsatz mikroelektronischer Integration, um Sicherheit durch
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Verschleierung zu erreichen, anstatt aufgrundlegendere Sicherheitsgarantien. Manchmal wird auch Manipulationsschutz auf
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Systemebene eingesetzt, der jedoch aufgrund der hohen Kosten und der geringen Leistung von Geräten wie
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Hardware-Sicherheitsmodulen (HSMs) nach wie vor auf Nischenanwendungen beschränkt ist.
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In dieser Arbeit stellt Jan Götte das Inertial Hardware Security Module (IHSM) vor, eine neue Architektur für
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kostengünstige Hardware-Sicherheitsmodule, die einen hohen aktiven Manipulationsschutz bieten und gleichzeitig
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Rechenleistungen unterstützen, dieim Vergleich zu herkömmlichen HSMs viel größer, schwerer und leistungsstärker sind. In
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einem IHSM wird das kostspielige und schwer zu beschaffende Manipulationserkennungsgitter eines herkömmlichen HSM durch
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ein Mesh aus einfachen Leiterplatten ersetzt, das sich mit hoher Geschwindigkeitum die Nutzlast dreht. Da sich das Mesh
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dreht, kann es nicht manipuliert werden, und die Sicherheit herkömmlicher Mesh, die in maßgeschneiderten
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Fertigungsprozessen hergestellt werden, kann mit viel einfacheren und kostengünstigeren Konstruktionstechnikenerreicht
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werden. Die Dissertation präsentiert Lösungen für wichtige technische Herausforderungen bei der Konstruktion von IHSMs,
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darunter ein hochsymmetrischesplanares Induktionsspulendesign für die rotierende drahtlose Energieübertragung und ein
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hochpräzises Überwachungssystem für kostengünstige Sicherheitsgitter.
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Unter Anwendung der IHSM-Technologie schließt die Dissertation mit zwei Analysen von Anwendungsfällen, die durch die
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erhöhte Größe und Verlustleistungsfähigkeit von IHSMs ermöglicht werden. In der ersten Analyse wird ein IHSM-gesicherter
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Relaisknoten für Quantenschlüsselverteilungssysteme (QKD) vorgeschlagen, der deren praktische Implementierung über
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beliebige Entfernungen ermöglicht, wasaufgrund grundlegender physikalischer Einschränkungen vertrauenswürdige
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Relaisstationen erfordert. In der Studie werden IHSMs für solchehochsicheren QKD-Relais angepasst, indem der
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IHSM-Netzdurchgang mit einem sekundären manipulationssensitiven Netz gesichert wird. In diesem Aufbau wird
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ein Klammerdesign vorgeschlagen, das den Durchgang durch Glasfasern mit geringen Verlusten unterstützt.
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Der zweite vorgeschlagene Anwendungsfall passt ein IHSM-Gehäuse an die Anforderungen hinsichtlich Größe, Leistung und
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Wärmeableitung eines Hochleistungsservers an, um gemeinsam genutzte sichere Multiparty-Computing-Workloads (MPC) zu
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unterstützen. MPC ist in der Praxis durch Netzwerkbandbreite und Latenzbedingungen eingeschränkt, die ohne physisch
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sichere Knoten nicht vermieden werden können. Herkömmliche HSMskönnen MPC-Workloads nicht bedienen, da ihre
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kryptografische Leistung um viele Größenordnungen zu gering ist. Ein durch IHSM gesicherter MPC-Knoten umgeht diese
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Einschränkungen und eröffnet ein neues Leistungsspektrum.
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\chapter*{Abstract}
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\addcontentsline{toc}{chapter}{Abstract}
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%Through advancements in cryptography, nowadays it is feasible to construct networked computer systems that for all
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%intents and purposes cannot be hacked over the network. Correctly applying cryptographic protocols and techniques such
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%as formal verification, it can be ensured that a software implementation is a flawless representation of its theoretical
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%model, and that the theoretical model is secure given universally accepted cryptographic assumptions. Despite
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With cryptographic advancements and techniques like formal verification leading to increasingly secure software, the
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hardware level advances into the focus of contemporary computer security research. However, the state of the art in
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hardware security still often relies on the use of microelectronic integration to achieve security by obscurity over
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more fundamental security guarantees. System-level tamper protection is sometimes used, but remains relegated to niche
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applications due to the high cost and low performance of devices like Hardware Security Modules (HSMs).
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In this thesis, Jan Götte introduces the Inertial Hardware Security Module (IHSM), a new architecture for low-cost
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hardware security modules that provide high-level active tamper protection, while supporting computing payloads of much
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larger size, weight and power dissipation compared to conventional HSMs. In an IHSM, the costly and difficult to source
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tamper-sensing mesh of a conventional HSM is replaced by a mesh made from simple PCBs that is rotating at high speed
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around the payload. Since the mesh is rotating, it cannot be manipulated, and the security of conventional meshes
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created in bespoke manufacturing processes can be achieved using much simpler and less expensive construction
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techniques. The thesis presents solutions to key engineering challenges in IHSM construction include a highly symmetric
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planar inductor design for rotating wireless power transfer and a high-fidelity monitoring system for low-cost security
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meshes.
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Applying IHSM technology, the thesis concludes with two analyses of two use cases that are unlocked by the increased
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size and power dissipation capability of IHSMs. In the first analysis, an IHSM-secured relay node for Quantum Key
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Distribution (QKD) systems is proposed, enabling their practical implementation across arbitrary distances, which
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requires trusted relay stations due to fundamental physical limitations. In the study, IHSMs are adapted for such
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high-security QKD relays by securing the IHSM mesh passthrough with a secondary tamper-sensing mesh. In this setup, a
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bracket design is proposed that supports passing through optical fibers at low loss.
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The second proposed use case adapts an IHSM enclosure to the size, power and thermal dissiptation requirements of a
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high-power server to support co-located secure Multiparty Computation (MPC) workloads. MPC in practice is limited by
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network bandwidth and latency constraints that cannot be avoided without physically secure nodes. Conventional HSMs
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cannot serve MPC workloads since their cryptographic performance is too low by many orders of magnitude. An IHSM-secured
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MPC node circumvents these limitations, unlocking a new performance spectrum.
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