美國麻省理工學(xué)院研制出新型加密防偽標簽

導(dǎo)讀

據(jù)美國麻省理工學(xué)院官網(wǎng)近日報道，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簽，它小到足以適合幾乎任何產(chǎn)品，并能驗證其真實性。

背景

供應(yīng)鏈制假，每年會給公司造成數(shù)十億美元的損失。經(jīng)濟合作與發(fā)展組織2018年的一份報告估計，價值大約2萬億的假冒偽劣商品將于2020年在全球范圍內(nèi)銷售。對于消費者以及從世界各地訂購不同來源的零件來制造產(chǎn)品的公司來說，這都是壞消息。

舉例來說，如今流行的射頻識別(RFID)標簽就太大了，不適合微型物體，例如醫(yī)療與工業(yè)部件、汽車部件或者硅芯片。

RFID標簽(圖片來源：Eric Brockmeyer/Disney Research)

RFID 標簽也沒有嚴格的安全措施。某些標簽采用加密機制構(gòu)建，以防止克隆并抵御黑客，但是它們尺寸太大，耗電太多?？s小標簽的尺寸，意味著放棄封裝天線(天線實現(xiàn)了射頻通信)以及運行強大加密技術(shù)的能力。

創(chuàng)新

在一篇于2月20日在國際固態(tài)電路年度會議(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。它的尺寸是毫米級的，并且運行在光伏二極管供電的相對低功耗的水平上。它也采用了一種無功耗的“反向散射”技術(shù)，長距離傳輸數(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)也使得芯片能運行普通的加密方案，保證能耗極低的安全通信。

(圖片來源：麻省理工學(xué)院)

論文合著者、微系統(tǒng)技術(shù)實驗室(MTL)太赫茲集成電子小組領(lǐng)頭人、電氣工程與計算機科學(xué)系副教授 Ruonan Han 表示：“我們稱之為‘萬物的標簽’。萬物應(yīng)該意味著所有東西。如果我想要追蹤，例如一個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標簽無法做到。我們打造了一款沒有包裝、電池或者其他外部組件的低成本微芯片，它可以存儲和傳輸敏感數(shù)據(jù)?！?/p>

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、電氣工程與計算機科學(xué)系教授 Anantha P. Chandrakasan。

技術(shù)

這項研究開始是要創(chuàng)造一款更好的RFID標簽。團隊想要去掉使標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)進行通信，這樣就能實現(xiàn)天線陣列的芯片集成，以及閱讀器距離更遠的無線通信。最終，他們希望要加密協(xié)議，因為RFID標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，這個身份標簽(右側(cè)放大)可以在與大得多的RFID標簽(左)媲美的閱讀器距離上進行無線通信，并運行加密算法幫助保證供應(yīng)鏈中幾乎所有產(chǎn)品的安全。

(圖片來源：麻省理工學(xué)院)

一個創(chuàng)新之處就是小型天線陣列，它通過標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)標簽將輸入信號與傳輸數(shù)據(jù)相對應(yīng)進行輕微調(diào)制，反射回閱讀器時，反向散射就發(fā)生了。在研究人員們的系統(tǒng)中，天線采用一些信號拆分與混合技術(shù)，在太赫茲范圍內(nèi)反向散射這些信號。這些信號首先與閱讀器連接，然后發(fā)送數(shù)據(jù)進行加密。

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

天線中的微洞使來自閱讀器的光線通過下方的光電二極管，光電二極管將光線轉(zhuǎn)化為1伏特的電力。它啟動了芯片的處理器，處理器運行芯片的“橢圓曲線加密算法(ECC)”。ECC采用私鑰(僅用戶知道)和公鑰(廣泛傳播)來保持通信私密。在研究人員們的系統(tǒng)中，標簽采用私鑰和閱讀器的公鑰，來保證它自己只被合法的閱讀器識別。這意味，任何沒有閱讀器私鑰的竊聽者，都不能僅通過監(jiān)測無線鏈接來識別哪個標簽是協(xié)議的一部分。

Yazicigil 表示，優(yōu)化密碼與硬件，使得方案能運行在節(jié)能的小型處理器上。她說：“我們總是需要進行權(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，在如此小的標簽中，以極低的功率預(yù)算保證安全性?！?/p>

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

Ibrahim 表示：“我們認為，我們可將一個閱讀器作為無需接近標簽的中央集線器，所有這些芯片可以對它們的信號進行波束轉(zhuǎn)向，從而與那個閱讀器進行通信?！?/p>

研究人員也希望，通過太赫茲信號本身來為芯片供電，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算機芯片中，這些芯片是特別受歡迎的偽造目標。

Wasiq Khan 表示：“美國半導(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，我們的芯片可以無縫集成到其他電子芯片中，這樣就可以對行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。我們的芯片每片只需花費幾美分，但這項技術(shù)是無價之寶?！?/p>