淺談非接觸式IC卡芯片技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

文章出處：http://www.fang1.net 作者：張綱   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月12日

    1. 引言

    IC卡自上世紀(jì)70年代誕生以來(lái)得到了很大的發(fā)展，現(xiàn)在IC卡已經(jīng)逐步進(jìn)入了包括金融、通信、醫(yī)療、公交、身份識(shí)別等在內(nèi)的多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，使用IC卡的人也越來(lái)越多。非接觸式IC卡作為IC卡的一種重要形式，近年來(lái)同樣得到了很大的發(fā)展。本文將對(duì)非接觸式IC卡芯片技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)做一個(gè)分析。

    2. 非接觸式IC卡芯片技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

    1）CPU卡芯片取代邏輯加密卡芯片的發(fā)展趨勢(shì)

    目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的非接觸式IC卡是非接觸式邏輯加密卡，這類IC卡憑借其良好的性能和較高的性價(jià)比得到了廣大用戶的青睞，并已被廣泛應(yīng)用于公交、醫(yī)療、校園一卡通，門禁等領(lǐng)域。由于非接觸式邏輯加密卡芯片采用的是流密碼技術(shù)，密鑰長(zhǎng)度也不是很長(zhǎng)（比較典型的密碼長(zhǎng)度是Mifare的48 bit），因此邏輯加密卡芯片普遍存在著一定的安全隱患，有被黑客破解的可能。在金融、身份識(shí)別、電子護(hù)照等對(duì)安全要求比較高的領(lǐng)域目前更傾向于使用內(nèi)嵌微處理器的非接觸式CPU卡芯片。

    CPU卡芯片內(nèi)部都有雙重安全機(jī)制，第一重是芯片本身集成的加密算法模塊，芯片設(shè)計(jì)公司通常都會(huì)將經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)最安全的幾種加密算法集成入芯片，目前比較常見(jiàn)的安全算法有RSA，3-DES等。國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)公司還會(huì)引入國(guó)密算法（SSF33，SCB2，SM2，SM3等）來(lái)加強(qiáng)芯片的安全性。國(guó)密算法是不對(duì)外公開(kāi)的，因此國(guó)密算法一般比其他公開(kāi)算法的加密算法具有更高的安全性。第二重保護(hù)則是CPU卡芯片特有的COS（Card Operation System）系統(tǒng)，COS可以為芯片設(shè)立多個(gè)相互獨(dú)立的密碼，密鑰以目錄為單位存放，每個(gè)目錄下的密鑰相互之間獨(dú)立，并且有防火墻功能（不同目錄下密鑰不會(huì)互相影響）。同時(shí)COS內(nèi)部還設(shè)立密碼最大重試次數(shù)以防止惡意攻擊。由此可見(jiàn)，非接觸式CPU卡比非接觸式邏輯加密卡具有更高的安全性。

    除此以外，CPU卡可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的“一卡多用”，每個(gè)應(yīng)用相互獨(dú)立并受控于各自的密鑰管理系統(tǒng)。不同應(yīng)用可以共享一個(gè)“錢包”，也可以分別擁有各自的“錢包”。服務(wù)商可以通過(guò)使用CPU卡進(jìn)行更加靈活有效的管理，用戶也能使用CPU卡實(shí)現(xiàn)多功能應(yīng)用的需求。

    由于CPU卡芯片比邏輯加密卡芯片具有更多的優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)際市場(chǎng)上CPU卡芯片所占的市場(chǎng)份額更多。據(jù)國(guó)際知名RFID市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IDTechex統(tǒng)計(jì)，2007年全球CPU卡芯片（含接觸式 CPU卡芯片）的出貨量達(dá)到33億，預(yù)計(jì)2008年CPU卡芯片的出貨量會(huì)超過(guò)38億，而邏輯加密卡2007年的出貨量則不到10億，并且有逐年下滑的趨勢(shì)。下圖即為IDTechex公司2008n年初是公布的調(diào)查結(jié)果：圖中Microprocessor卡指的就是CPU卡， Memory卡指的是邏輯加密卡。

    （摘自IDTechEx “RFID Analyst 2008 Jan.”）

    由于CPU卡芯片設(shè)計(jì)更復(fù)雜，成本相對(duì)較高，而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)價(jià)格比較敏感，因此目前國(guó)內(nèi)非接觸式邏輯加密卡芯片的市場(chǎng)份額更大。降低非接觸式CPU卡芯片的成本以提高性價(jià)比已成為國(guó)內(nèi)智能卡芯片設(shè)計(jì)公司的工作重點(diǎn)之一，包括上海復(fù)旦微電子公司在內(nèi)的多家芯片設(shè)計(jì)公司都為此做了很多工作，近年來(lái)已經(jīng)取得了一定的效果。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)隨著芯片成本的降低，非接觸式CPU卡會(huì)進(jìn)入越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域并逐步取代非接觸式邏輯加密卡而成為非接觸式IC卡最主要的形式。

    2）CPU卡芯片非接觸式傳輸標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)

    目前非接觸式IC卡的傳輸標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO/IEC 14443 TypeA和ISO/IEC 14443 TypeB兩種。

    TypeA和TypeB都是ISO/IEC 14443規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，都使用了13.56MHz的載波頻率，最高通訊速率也均為424kbits/s。它們之間最主要的差別在于讀寫器發(fā)送射頻信號(hào)的載波調(diào)制深度不同。即TypeA是100%調(diào)制而TypeB是10%調(diào)制。如下圖所示： 

    在通訊過(guò)程中，TypeA讀寫器發(fā)送給卡的能量傳遞是不連續(xù)的，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)中斷，而TypeB讀寫器發(fā)出的能量傳輸是連續(xù)的。這種通訊方式會(huì)造成TypeA卡所能接收到的能量較TypeB少，因此卡芯片電路的設(shè)計(jì)難度較TypeB要高，外圍電路也要復(fù)雜一些。但是在另一方面，100% ASK調(diào)制發(fā)送的信號(hào)間區(qū)別明顯，抗干擾能力強(qiáng)；而10% ASK調(diào)制，信號(hào)間區(qū)別很小，抗干擾能力弱，容易接收錯(cuò)誤。實(shí)際應(yīng)用中，TypeA類型卡片因其較強(qiáng)的抗干擾能力在公交、地鐵等領(lǐng)域得到了廣泛的使用。

    TypeA的防沖突機(jī)制是基于BIT沖突檢測(cè)協(xié)議，而TypeB是通過(guò)字節(jié)、幀及命令來(lái)完成防沖突的。這兩種防沖突機(jī)制在實(shí)際使用中都能很好的工作。Type A的防沖突流程為NXP（原飛利浦半導(dǎo)體）一家制定，所以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則比較明確，各廠商出品的Type A類型卡指標(biāo)和性能一致性比較高，產(chǎn)品的互操作性和兼容性比較好。而Type B的標(biāo)準(zhǔn)由多家制定，各家的產(chǎn)品也可能有所不同，因此相對(duì)來(lái)說(shuō)兼容性可能不是特別好。此外TypeA的專利權(quán)由NXP一家擁有，專利權(quán)人比較明晰，而TypeB的專利權(quán)則由多家公司擁有，專利權(quán)人相對(duì)不是很明晰。據(jù)筆者所知，NXP在國(guó)內(nèi)并沒(méi)有申請(qǐng)TypeA的專利，而TypeB則在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)了相關(guān)專利。

    目前在非接觸式邏輯加密卡市場(chǎng)中，TypeA標(biāo)準(zhǔn)占有明顯的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)除了二代身份證等少數(shù)項(xiàng)目使用TypeB標(biāo)準(zhǔn)以外，其他項(xiàng)目基本上都是用了TypeA技術(shù)。由于熟悉TypeA的技術(shù)人員和支持的廠商更多一些，因此可以說(shuō)TypeA的綜合使用環(huán)境比較好。

    未來(lái)IC卡的非接觸式傳輸標(biāo)準(zhǔn)還將以TypeA和TypeB為主，抗干擾能力強(qiáng)，綜合使用環(huán)境好，互操作性和兼容性比較好的非接觸式傳輸標(biāo)準(zhǔn)也許更受用戶的歡迎。

    3）非接觸式CPU卡芯片存儲(chǔ)器介質(zhì)的發(fā)展趨勢(shì)

    目前大多數(shù)非接觸式CPU卡芯片都采用了EEPROM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，Mask ROM作為程序存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是程序讀取速度比較快，也比較穩(wěn)定，但由于EEPROM面積較大，因此芯片成本也較高。

    IC卡發(fā)展到非接觸式CPU卡階段以后，用戶對(duì)非接觸式IC卡的多功能應(yīng)用的要求也越來(lái)越高，用戶希望IC卡擁有更多的功能，而每個(gè)功能都要有足夠的存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。過(guò)去那種“EEPROM + Mask ROM”的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)不能再滿足未來(lái)的應(yīng)用需求，采用Flash Memory（閃存）作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)將會(huì)是未來(lái)非接觸式IC卡技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

    Flash Memory相對(duì)于EEPROM最大的優(yōu)勢(shì)是面積小，同樣的芯片面積Flash Memory擁有更多的存儲(chǔ)空間，這滿足了低成本芯片的需要。同時(shí)Flash Memory比EEPROM更容易把容量做大，這也滿足了用戶對(duì)大容量存儲(chǔ)的需要。 

    Flash Memory相對(duì)于Mask ROM最大的優(yōu)勢(shì)是可擦寫。由于未來(lái)對(duì)非接觸式IC卡多功能應(yīng)用的要求越來(lái)越高，因此用戶往往會(huì)希望CPU卡芯片中的程序可以根據(jù)具體應(yīng)用靈活更新，如果使用Mask ROM作為存儲(chǔ)介質(zhì)必然無(wú)法滿足這一需求。而Flash Memory則可以存儲(chǔ)隨時(shí)下載的程序以滿足用戶對(duì)新功能的需求。

    目前Flash Memory技術(shù)已經(jīng)被接觸式CPU卡芯片所采用，但因?yàn)镕lash Memory在功耗，可靠性，讀寫速度等方面與EEPROM相比仍存在一定的差距，所以目前在非接觸式CPU卡中應(yīng)用的并不多?，F(xiàn)在Flash Memory技術(shù)有向低功耗，高可靠性以及高讀寫速度方向發(fā)展的趨勢(shì)，隨著Flash Memory技術(shù)的提升，未來(lái)Flash Memory應(yīng)該能夠滿足非接觸式CPU卡的需求，并逐步取代現(xiàn)在“EEPROM + Mask ROM”的存儲(chǔ)方式。

    3. 結(jié)語(yǔ)

    綜上所述，未來(lái)非接觸式IC卡將會(huì)由非接觸式邏輯加密卡逐步過(guò)渡到非接觸式CPU卡；CPU卡的非接觸式傳輸標(biāo)準(zhǔn)還將以ISO/IEC 14443 TypeA和ISO/IEC 14443 TypeB為主，抗干擾能力強(qiáng)，綜合使用環(huán)境好，互操作性和兼容性比較好的非接觸式傳輸標(biāo)準(zhǔn)也許更受用戶的歡迎；而未來(lái)隨著Flash Memory技術(shù)的提高，F(xiàn)lash Memory也將被引入非接觸式CPU卡，以Flash Memory為存儲(chǔ)介質(zhì)的架構(gòu)會(huì)代替現(xiàn)在常見(jiàn)的“EEPROM + Mask ROM”的存儲(chǔ)方式。

    (文/上海復(fù)旦微電子股份有限公司 高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理 張綱)