As aplicações se comunicam com um HSM por PKCS #11, KMIP, provedores JCA do Java, Windows CNG ou APIs do fabricante e da nuvem; a chave nunca sai, só as assinaturas ou os dados descriptografados. O nível de garantia costuma ser expresso como validação FIPS 140-3 (ou 140-2) de nível 2 ou 3, ou como certificação Common Criteria. As CAs publicamente confiáveis devem manter as chaves nesses dispositivos e, desde 2023, as chaves de assinatura de código publicamente confiáveis também precisam ser geradas e armazenadas em hardware.
Os serviços de gerenciamento de chaves na nuvem (AWS KMS, Google Cloud KMS, Azure Key Vault Managed HSM) expõem chaves protegidas por HSM como recursos de API, com políticas de IAM e logs de auditoria. As chamadas de assinatura ECDSA deles retornam assinaturas codificadas em DER, que precisam ser convertidas para r‖s bruto nos tokens JWS ES256 — um bug de integração comum.
Limitações a verificar antes de escolher um: os algoritmos e as curvas compatíveis (o suporte a Ed25519, secp256k1 e algoritmos pós-quânticos varia conforme o modelo e o firmware), a vazão e a latência por assinatura, os procedimentos de backup e de clonagem de chaves e se a assinatura de mensagens grandes exige pré-hash.