導(dǎo)讀

據(jù)美國(guó)麻省理工學(xué)院官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，為了防止供應(yīng)鏈制假，該校研究人員發(fā)明了一種加密的身份標(biāo)簽，它小到足以適合幾乎任何產(chǎn)品，并能驗(yàn)證其真實(shí)性。

背景

供應(yīng)鏈制假，每年會(huì)給公司造成數(shù)十億美元的損失。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織2018年的一份報(bào)告估計(jì)，價(jià)值大約2萬(wàn)億的假冒偽劣商品將于2020年在全球范圍內(nèi)銷(xiāo)售。對(duì)于消費(fèi)者以及從世界各地訂購(gòu)不同來(lái)源的零件來(lái)制造產(chǎn)品的公司來(lái)說(shuō)，這都是壞消息。

舉例來(lái)說(shuō)，如今流行的射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽就太大了，不適合微型物體，例如醫(yī)療與工業(yè)部件、汽車(chē)部件或者硅芯片。

RFID 標(biāo)簽也沒(méi)有嚴(yán)格的安全措施。某些標(biāo)簽采用加密機(jī)制構(gòu)建，以防止克隆并抵御黑客，但是它們尺寸太大，耗電太多。縮小標(biāo)簽的尺寸，意味著放棄封裝天線(天線實(shí)現(xiàn)了射頻通信)以及運(yùn)行強(qiáng)大加密技術(shù)的能力。

創(chuàng)新

在一篇于2月20日在國(guó)際固態(tài)電路年度會(huì)議(ISSCC)上發(fā)表的論文中，研究人員們描述了一款身份芯片，權(quán)衡了所有這些因素。它的尺寸是毫米級(jí)的，并且運(yùn)行在光伏二極管供電的相對(duì)低功耗的水平上。它也采用了一種無(wú)功耗的“反向散射”技術(shù)，長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)。它的工作頻率比RFID技術(shù)高幾百倍。算法優(yōu)化技術(shù)也使得芯片能運(yùn)行普通的加密方案，保證能耗極低的安全通信。

論文合著者、微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(MTL)太赫茲集成電子小組領(lǐng)頭人、電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授 Ruonan Han 表示：“我們稱(chēng)之為‘萬(wàn)物的標(biāo)簽’。萬(wàn)物應(yīng)該意味著所有東西。如果我想要追蹤，例如一個(gè)單螺栓或者一顆種植牙或者一片硅芯片的物流，現(xiàn)有的RFID標(biāo)簽無(wú)法做到。我們打造了一款沒(méi)有包裝、電池或者其他外部組件的低成本微芯片，它可以存儲(chǔ)和傳輸敏感數(shù)據(jù)。”

其他的研究人員還包括：研究生 Mohamed I. Ibrahim、Muhammad Ibrahim Wasiq Khan、Chiraag S. Juveka、前博士后助理 Wanyeong Jung、前博士后 Rabia Tugce Yazicigil、麻省理工學(xué)院工學(xué)院主任、電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授 Anantha P. Chandrakasan。

技術(shù)

這項(xiàng)研究開(kāi)始是要?jiǎng)?chuàng)造一款更好的RFID標(biāo)簽。團(tuán)隊(duì)想要去掉使標(biāo)簽變笨重以及增加制造成本的包裝。他們也想要在微波與紅外線之間的高太赫茲頻率(約100GHz到10THz)進(jìn)行通信，這樣就能實(shí)現(xiàn)天線陣列的芯片集成，以及閱讀器距離更遠(yuǎn)的無(wú)線通信。最終，他們希望要加密協(xié)議，因?yàn)镽FID標(biāo)簽需要基本上能夠被任何閱讀器掃描，并隨意地傳輸數(shù)據(jù)。

但是，所有這些功能通常需要構(gòu)造一個(gè)相當(dāng)大的芯片。Ibrahim 表示，取而代之的是，研究人員提出了“一種相當(dāng)大的系統(tǒng)集成”。這種集成使得所有東西都放在了一片(不是分層的)硅芯片上，其面積僅約有1.6平方毫米。

下圖所示，盡管只有一粒芝麻種子那么大，這個(gè)身份標(biāo)簽(右側(cè)放大)可以在與大得多的RFID標(biāo)簽(左)媲美的閱讀器距離上進(jìn)行無(wú)線通信，并運(yùn)行加密算法幫助保證供應(yīng)鏈中幾乎所有產(chǎn)品的安全。

一個(gè)創(chuàng)新之處就是小型天線陣列，它通過(guò)標(biāo)簽與閱讀器之間的反向散射，向前后傳輸數(shù)據(jù)。在RFID技術(shù)中，反向散射被普遍使用。當(dāng)標(biāo)簽將輸入信號(hào)與傳輸數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)進(jìn)行輕微調(diào)制，反射回閱讀器時(shí)，反向散射就發(fā)生了。在研究人員們的系統(tǒng)中，天線采用一些信號(hào)拆分與混合技術(shù)，在太赫茲范圍內(nèi)反向散射這些信號(hào)。這些信號(hào)首先與閱讀器連接，然后發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

天線陣列中實(shí)現(xiàn)了一種“波束轉(zhuǎn)向(beam steering)”功能，天線將信號(hào)聚焦至閱讀器，使之更加高效，增加信號(hào)的強(qiáng)度和范圍，減少干擾。研究人員們表示，這是首次使用反向散射的標(biāo)簽來(lái)演示波束轉(zhuǎn)向。

天線中的微洞使來(lái)自閱讀器的光線通過(guò)下方的光電二極管，光電二極管將光線轉(zhuǎn)化為1伏特的電力。它啟動(dòng)了芯片的處理器，處理器運(yùn)行芯片的“橢圓曲線加密算法(ECC)”。ECC采用私鑰(僅用戶(hù)知道)和公鑰(廣泛傳播)來(lái)保持通信私密。在研究人員們的系統(tǒng)中，標(biāo)簽采用私鑰和閱讀器的公鑰，來(lái)保證它自己只被合法的閱讀器識(shí)別。這意味，任何沒(méi)有閱讀器私鑰的竊聽(tīng)者，都不能僅通過(guò)監(jiān)測(cè)無(wú)線鏈接來(lái)識(shí)別哪個(gè)標(biāo)簽是協(xié)議的一部分。

Yazicigil 表示，優(yōu)化密碼與硬件，使得方案能運(yùn)行在節(jié)能的小型處理器上。她說(shuō)：“我們總是需要進(jìn)行權(quán)衡。如果你能承受更高的功率預(yù)算以及更大的尺寸，那么你就可以加入加密方案。但是挑戰(zhàn)在于，在如此小的標(biāo)簽中，以極低的功率預(yù)算保證安全性。”

目前，信號(hào)范圍在5厘米左右，這被認(rèn)為是遠(yuǎn)場(chǎng)范圍，便于使用便攜式標(biāo)簽掃描儀。Ibrahim 表示，下一步，研究人員希望挑戰(zhàn)更遠(yuǎn)的距離。最終，他們想要許多標(biāo)簽連接一個(gè)遠(yuǎn)處的閱讀器，例如供應(yīng)鏈檢查點(diǎn)的接收室。然后，許多資產(chǎn)就能得到迅速核實(shí)。

Ibrahim 表示：“我們認(rèn)為，我們可將一個(gè)閱讀器作為無(wú)需接近標(biāo)簽的中央集線器，所有這些芯片可以對(duì)它們的信號(hào)進(jìn)行波束轉(zhuǎn)向，從而與那個(gè)閱讀器進(jìn)行通信。”

研究人員也希望，通過(guò)太赫茲信號(hào)本身來(lái)為芯片供電，從而不再需要光電二極管。

這些芯片很小，很容易制造，很便宜，也可以嵌入到較大的硅計(jì)算機(jī)芯片中，這些芯片是特別受歡迎的偽造目標(biāo)。

Wasiq Khan 表示：“美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)每年由于偽造的芯片遭受70億到100億美元的損失。為了安全，我們的芯片可以無(wú)縫集成到其他電子芯片中，這樣就可以對(duì)行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。我們的芯片每片只需花費(fèi)幾美分，但這項(xiàng)技術(shù)是無(wú)價(jià)之寶。”

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