毫米級芯片“挽救”百億美元假芯片損失，萬物皆可加密

文︱MIT News

譯︱TechSugar編輯部

圖︱網(wǎng)絡(luò)

據(jù)麻省理工學(xué)院新聞部20日報道，麻省理工學(xué)院研究人員發(fā)明了一種加密ID芯片，體積非常小，可以安裝到任何產(chǎn)品中，并起到防偽的作用。可以消除各大公司頭疼的供應(yīng)鏈偽造問題，拯救數(shù)十億美元的損失。

經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）在2018年的一份報告預(yù)估，到2020年，全球?qū)⒊鍪蹆r值約2萬億美元的假貨。這對消費者和從世界各地訂購零件來生產(chǎn)產(chǎn)品的公司來說是個壞消息。

造假者傾向于使用一些包含許多復(fù)雜檢驗點的方法，這給驗證產(chǎn)品的來源以及真實性帶來了許多挑戰(zhàn)。最終，公司還是買到了仿制品。當(dāng)產(chǎn)品在檢查點進(jìn)行多重檢驗時，無線ID標(biāo)簽的使用變得越加流行。但是這些標(biāo)簽因為大小不一、成本不同、能耗以及安全性也很難得到平衡，這些種種都行限制了標(biāo)簽們的潛力。

比如，使用傳統(tǒng)的射頻識別（RFID）標(biāo)簽，因為其體積太大，無法安裝在醫(yī)療和工業(yè)部件、汽車部件或硅芯片等微小物體上。此外，RFID也沒有足夠的安全機制。一些標(biāo)簽是用加密方法構(gòu)建，以防止被克隆和黑客攻擊，但體積過大且非常耗電。如果把標(biāo)簽給做小，則意味著閹割了天線和強大的加密功能。

在19日的IEEE國際固態(tài)電路會議（ISSCC）上，研究人員展示了一種兼具所有功能的ID芯片。它擁有毫米級尺寸、依靠較低功耗的光伏二極管供電，它還使用無功率“反向散射”（backscatter）技術(shù)在遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，該技術(shù)的工作頻率比RFID高數(shù)百倍。算法優(yōu)化技術(shù)也使芯片能夠運行流行的密碼學(xué)方案，以保證使用極低的能量進(jìn)行安全通信。

“我們稱它為‘萬物標(biāo)簽’，萬物指代世間所有的物體。”作為論文共同作者之一的電氣工程與計算機科學(xué)系副教授、微系統(tǒng)技術(shù)實驗室（TTL）的太赫茲集成電子事業(yè)部負(fù)責(zé)人韓若楠（音譯，Ruonan Han）表示：“如果我想追蹤一個物體，譬如一個螺栓、植入的牙齒亦或者一枚硅芯片，目前的射頻識別標(biāo)簽不允許這樣做。我們制造了一個低成本的微型芯片，它不需要包裝、電池或其他外部部件，可以存儲和傳輸敏感數(shù)據(jù)。”

論文作者還包括：研究生Mohamed I. Ibrahim、Muhammad Ibrahim Wasiq Khan和Chiraag S. Juvekar；前博士后研究員Wanwan Jung 前博士后Rabia Tugce Yazicigil；麻省理工學(xué)院工程學(xué)院院長Vannevar Bush以及電機工程與計算機科學(xué)系教授Anantha P. Chandrakasan。

完整的系統(tǒng)整合

該項工作始于創(chuàng)建更好的RFID標(biāo)簽。團隊成員想直接去掉封裝，以縮小成本和體積。他們還希望在微波和紅外輻射之間以高太赫茲頻率進(jìn)行通信（大約100GHz和10THz），能夠在更長的讀取距離上集成天線陣列和無線通信芯片。最后，再加上密碼協(xié)議，因為RFID標(biāo)簽實際上可以被任何讀取器掃描，并且肆意地傳輸其數(shù)據(jù)。

但是包括所有這些功能通常需要構(gòu)建一個相當(dāng)大的芯片。相反，研究人員提出了一個“相當(dāng)大的系統(tǒng)集成”，Ibrahim表示，這可以讓所有東西都放在一塊只有1.6平方毫米的單硅芯片上。

其中一項創(chuàng)新是一組小型天線，它們通過標(biāo)簽和讀取器之間的反向散射進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。反向散射是RFID中常用的一種技術(shù)，當(dāng)標(biāo)簽將輸入信號反射回讀取器時，就會發(fā)生這種情況。在這套系統(tǒng)中，天線使用了一些信號分裂和混合技術(shù)來在太赫茲范圍內(nèi)反向散射信號。這些信號首先與讀取器連接，然后發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

天線陣列中實現(xiàn)了一種“波束控制”（beam steering）功能，即天線將信號聚焦到讀取器，增加信號強度和傳播范圍并減少干擾。研究人員說，這是通過反向散射標(biāo)簽進(jìn)行光束轉(zhuǎn)向的首次演示。

天線上的小孔可讓閱讀器發(fā)出的光通過下方的光電二極管，從而將光轉(zhuǎn)換為約1伏的電。這就能為芯片的處理器供電，處理器運行了芯片的“橢圓曲線密碼術(shù)”（ECC）方案。ECC使用私鑰和公鑰的組合來保持通信的私密性。任何不具有讀取器私鑰的竊聽者都不能僅通過監(jiān)視無線鏈路來識別哪個標(biāo)簽是協(xié)議的一部分。 

Yazicigil說，通過優(yōu)化加密代碼和硬件，該方案可以在耗電極小的小型處理器上運行。她表示：“這需要做一個權(quán)衡，如果您可以承擔(dān)大功耗和大尺寸，則可以使用加密技術(shù)。但現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是，如此小的標(biāo)簽來實現(xiàn)低能耗的安全性。”

未來突破極限

目前的信號范圍約為5厘米，這還是遠(yuǎn)場范圍，能夠方便地使用便攜式標(biāo)簽掃描儀。Ibrahim表示，研究人員接下來希望進(jìn)一步“突破極限”。他們希望許多標(biāo)簽?zāi)軌蛑苯臃旁诠?yīng)鏈檢查站等較遠(yuǎn)位置，能夠讓一些物資快速得到驗證。

Ibrahim稱：“甚至可以將閱讀器一個中心樞紐，且不必靠近標(biāo)簽，所有這些芯片都可以發(fā)射控制信號，與一個閱讀器對話。”

研究人員還希望通過太赫茲信號為芯片提供充分的電源，從而連光電二極管都可以省去。

這些芯片非常小巧，易于制造且價格便宜，因此它們也可以嵌入到更大的計算機芯片中，而計算機芯片也是偽造的熱門目標(biāo)。

Wasiq Khan說：“假冒芯片讓美國半導(dǎo)體行業(yè)每年遭受70億至100億美元的損失。為了安全起見，我們的芯片可以無縫集成到其他電子芯片中，因此可能會對行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。價格也非常便宜，每個只要幾美分，不過技術(shù)是無價的。”

本文由TechSugar編輯部翻譯自MIT News。