应用程序通过 PKCS #11、KMIP、Java JCA 提供程序、Windows CNG 或厂商和云平台的 API 与 HSM 通信；密钥从不离开 HSM，离开的只有签名或解密后的数据。其安全保证通常以 FIPS 140-3（或 140-2）验证级别 2 或 3 表示，或者以通用准则（Common Criteria）认证表示。公开受信任的 CA 必须把密钥存放在这类设备中；自2023年起，公开受信任的代码签名密钥也必须在硬件中生成和存储。
云密钥管理服务（AWS KMS、Google Cloud KMS、Azure Key Vault Managed HSM）把由 HSM 支持的密钥作为 API 资源提供，并配有 IAM 策略和审计日志。它们的 ECDSA 签名调用返回 DER 编码的签名，用于 JWS ES256 令牌时必须转换为原始 r‖s 格式，这是一个常见的集成错误。
选型前要核实的限制：支持的算法和曲线（对 Ed25519、secp256k1 和后量子算法的支持因型号和固件而异）、每次签名的吞吐量和延迟、密钥备份与克隆流程，以及大消息是否必须使用预哈希签名。