Jahrzehntelang stand die Softwaresicherheit bei der Sicherung unserer Computerplattformen im Vordergrund. Die Hardware wurde immer als vertrauenswürdig angesehen und diente als Grundlage und somit als Vertrauensbasis für unsere Systeme. Dies wurde bei der Entwicklung von hardwarebasierten Sicherheitserweiterungen und -architekturen weiter genutzt, um Software vor Angriffen zu schützen, die Software-Schwachstellen, wie z.B. Speicher- und Programmierfehler, ausnutzen. Der aktuelle Ausbruch von Angriffen auf die Prozessor-Mikroarchitektur hat jedoch diese seit langem etablierten Annahmen über das Vertrauen in die Hardware völlig erschüttert, wodurch die Sicherheit aller unserer Computerplattformen bedroht ist und die Sicherheit von Hardware und Mikroarchitektur auf den Prüfstand gestellt wird. Diese Angriffe haben unbestreitbar die schwerwiegenden Folgen von Sicherheitsmängeln in der Hardware/Mikroarchitektur für die Sicherheit der gesamten Plattform aufgezeigt. Zudem zeigen sie, wie sogar die Sicherheitsgarantien untergraben werden können, die von speziellen Sicherheitsarchitekturen versprochen werden. Darüber hinaus werfen diese Angriffe ein Licht auf die besonderen Herausforderungen, die mit der Sicherung von Hardware/Mikroarchitekturen verbunden sind: Es ist wesentlicher (und schwieriger), die Hardware vor der Produktion umfassend auf Sicherheitsmängel zu untersuchen, da Hardware im Gegensatz zu Software nach der Herstellung nicht gepatcht/aktualisiert werden kann.

Hardware kann nicht mehr zuverlässig als Vertrauensbasis dienen, es sei denn, wir entwickeln und übernehmen neue Design-Paradigmen, bei denen die Sicherheit proaktiv angegangen und über die gesamten Schichten unserer Computerplattformen auf allen Hardware-Design- und Implementierungsebenen geprüft wird. Darüber hinaus müssen neuartige, flexible und sicherheitsbewusste Design-Mechanismen in die Mikroarchitektur von Prozessoren und in hardwaregestützte Sicherheitsarchitekturen integriert werden, die den Konflikt zwischen Leistung und Sicherheit praktisch lösen können, indem sie es ermöglichen, den Kompromiss an die gewünschten Anforderungen anzupassen.

In dieser Dissertation erforschen wir die Perspektiven und Auswirkungen an der Schnittstelle von Hardware und Sicherheit, die sich über die gesamten Schichten unserer Computerplattformen und System-on-Chips (SoCs) ergeben. Auf der einen Seite untersuchen wir, wie wir Hardware und ihre Vorteile im Vergleich zu Software nutzen können, um effizientere und effektivere Sicherheitserweiterungen zu entwickeln, die Sicherheitsarchitekturen dienen, z.B. um Attestierung und Integritätsschutz des Kontrolflusses anzubieten, mit dem Ziel, Software vor Angriffen zu schützen, die Software-Schwachstellen ausnutzen. Außerdem schlagen wir vor, dass die Sicherheitserweiterungen zur Laufzeit mikroarchitektonisch so konfiguriert werden, dass sie verschiedene Arten von Sicherheitsdiensten bereitstellen und sich so flexibel an unterschiedliche Einsatzanforderungen anpassen lassen. Außerdem untersuchen wir, wie wir diese hardwaregestützten Sicherheitsarchitekturen und -erweiterungen selbst vor mikroarchitektonischen und Software-Angriffen schützen können, welche Designfehler ausnutzen, die ihren Ursprung in der Hardware haben, z.B. eine unsichere geteilte Nutzung von SoC-Ressourcen. Insbesondere konzentrieren wir uns in dieser Arbeit auf Cache-basierte Seitenkanalangriffe, für die wir elegante Cache-Designs vorschlagen, die diese Angriffe grundlegend entschärfen und gleichzeitig die Leistung erhalten, indem sie ermöglichen, den Kompromiss zwischen Leistung und Sicherheit zu konfigurieren. Wir untersuchen auch, wie diese Cache-Designs in flexible und anpassbare Sicherheitsarchitekturen integriert werden können, um diese zu ergänzen und so ein breites Spektrum neuer Anwendungen mit unterschiedlichen Leistungs-/Sicherheitsanforderungen zu unterstützen. Schließlich nehmen wir unsere Computerplattformen auch unterhalb der Design-Ebene unter die Lupe, indem wir untersuchen, wie die tatsächliche Implementierung dieser Mechanismen eine weitere potenzielle Angriffsfläche darstellt. Wir untersuchen, wie die Sicherheit von Hardware-Designs und -Implementierungen derzeit vor der Fertigung analysiert wird, und beleuchten gleichzeitig die grundlegenden Grenzen der modernen Hardware-Sicherheitsanalyseverfahren sowie das Potenzial für verbesserte und skalierbare Ansätze.