Согласно отчету Организации экономического сотрудничества и развития за 2018 год, в 2020 году по всему миру будет продано контрафактных товаров на сумму около 2 триллионов долларов. Это плохая новость для потребителей и компаний, которые заказывают детали из разных источников по всему миру для создания продуктов.

Фальшивомонетчики, как правило, используют сложные маршруты, включающие множество контрольно-пропускных пунктов, что затрудняет проверку их происхождения и подлинности. Следовательно, компании могут в конечном итоге получить имитационные детали. Беспроводные идентификационные метки становятся все более популярными для аутентификации активов, поскольку они переходят из рук в руки на каждом контрольном пункте. Но эти метки имеют различные размеры, стоимость, энергопотребление и компромиссы в области безопасности, которые ограничивают их потенциал.

Популярные метки радиочастотной идентификации (RFID), например, слишком велики, чтобы поместиться на крошечных объектах, таких как медицинские и промышленные компоненты, автомобильные детали или кремниевые чипы. RFID-метки также не содержат жестких мер безопасности. Некоторые теги построены со схемами шифрования для защиты от клонирования и отпугивания хакеров, но они большие и энергозатратные. Сокращение меток означает отказ как от пакета антенн, который обеспечивает радиочастотную связь, так и от возможности запуска надежного шифрования.

В документе, представленном вчера на конференции IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), исследователи описывают идентификационный чип, который выполняет все эти компромиссы. Он имеет миллиметровый размер и работает на относительно низком уровне мощности, подаваемой фотоэлектрическими диодами. Он также передает данные на дальние расстояния, используя технологию "обратного рассеяния" без питания, которая работает на частоте, в сотни раз превышающей радиочастотные сигналы. Методы оптимизации алгоритмов также позволяют чипу запускать популярную криптографическую схему, которая гарантирует безопасную связь с использованием чрезвычайно низкого энергопотребления.

"Мы называем это "меткой всего". И все должно означать все", - говорит соавтор Руонан Хан, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук и руководитель группы терагерцовой интегрированной электроники в лабораториях технологии микросистем (MTL). "Если я хочу отследить логистику, скажем, одного болта, зубного имплантата или кремниевого чипа, современные RFID-метки этого не позволяют. Мы создали недорогой крошечный чип без упаковки, батарей или других внешних компонентов, который хранит и передает конфиденциальные данные".

К Хану в работе над статьей присоединились: аспиранты Мохаммед И. Ибрагим, Мухаммад Ибрагим Васик Хан и Чирааг С. Джувекар; бывший постдок Ван Ен Чжун; бывший постдок Рабиа Тугче Язичигил; и Ананта П. Чандракасан, которая является деканом инженерной школы Массачусетского технологического института и профессором электротехники и вычислительной техники Ванневара Буша. Наука.

Системная интеграция

Работа началась как средство создания более совершенных RFID-меток. Команда хотела отказаться от упаковки, которая делает бирки громоздкими и увеличивает стоимость изготовления. Они также хотели осуществлять связь на высоких терагерцовых частотах между микроволновым и инфракрасным излучением - около 100 гигагерц и 10 терагерц - что позволяет интегрировать в микросхему антенную решетку и осуществлять беспроводную связь на больших расстояниях считывания. Наконец, им нужны были криптографические протоколы, потому что RFID-метки могут сканироваться практически любым считывателем и передавать свои данные без разбора.

Но включение всех этих функций обычно требует создания довольно большого чипа. Вместо этого исследователи придумали "довольно большую системную интеграцию", говорит Ибрагим, которая позволила разместить все на монолитном - то есть не слоистом - кремниевом чипе площадью всего около 1,6 квадратных миллиметра.

Одним из нововведений является массив небольших антенн, которые передают данные взад и вперед посредством обратного рассеяния между меткой и считывателем. Обратное рассеяние, обычно используемое в технологиях RFID, происходит, когда метка отражает входной сигнал обратно на считывающее устройство с незначительными модуляциями, соответствующими передаваемым данным. В системе исследователей антенны используют некоторые методы разделения и микширования сигналов для обратного рассеяния сигналов в терагерцевом диапазоне. Эти сигналы сначала соединяются со считывателем, а затем отправляют данные для шифрования.

В антенную решетку встроена функция "управления лучом", при которой антенны фокусируют сигналы на считывателе, делая их более эффективными, увеличивая уровень сигнала и дальность действия, а также уменьшая помехи. По словам исследователей, это первая демонстрация управления лучом с помощью метки обратного рассеяния.

Крошечные отверстия в антеннах позволяют свету от считывающего устройства проходить к расположенным под ним фотодиодам, которые преобразуют свет примерно в 1 вольт электроэнергии. Это приводит в действие процессор чипа, который запускает схему чипа "криптография с эллиптической кривой" (ECC). ECC использует комбинацию закрытых ключей (известных только пользователю) и открытых ключей (широко распространенных) для сохранения конфиденциальности сообщений. В системе исследователей тег использует закрытый ключ и открытый ключ читателя, чтобы идентифицировать себя только для действительных читателей. Это означает, что любой подслушивающий, у которого нет закрытого ключа считывателя, не должен быть в состоянии определить, какой тег является частью протокола, отслеживая только беспроводную связь.

По словам Язичигила, оптимизация криптографического кода и аппаратного обеспечения позволяет схеме работать на энергоэффективном и небольшом процессоре. "Это всегда компромисс", - говорит она. "Если вы допускаете более мощный бюджет и больший размер, вы можете включить криптографию. Но проблема заключается в обеспечении безопасности в таком маленьком устройстве с низким энергопотреблением".

Раздвигая границы дозволенного

В настоящее время дальность сигнала составляет около 5 сантиметров, что считается дальностью действия и позволяет удобно использовать портативный сканер меток. Далее исследователи надеются "раздвинуть границы" диапазона еще дальше, говорит Ибрагим. В конце концов, они хотели бы, чтобы многие метки передавали сигнал одному считывателю, расположенному где-нибудь далеко, скажем, в приемной на контрольно-пропускном пункте цепочки поставок. Тогда многие активы можно было бы быстро проверить.

"Мы думаем, что у нас может быть считывающее устройство в качестве центрального узла, которому не нужно приближаться к тегу, и все эти чипы могут передавать свои сигналы, чтобы общаться с этим единственным считывателем", - говорит Ибрагим.

Исследователи также надеются полностью питать чип с помощью самих терагерцовых сигналов, устраняя любую необходимость в фотодиодах.

Чипы настолько малы, просты в изготовлении и недороги, что их также можно встраивать в более крупные кремниевые компьютерные чипы, которые являются особенно популярными объектами для подделки.

"Полупроводниковая промышленность США ежегодно терпела убытки в размере от 7 до 10 миллиардов долларов из-за поддельных чипов", - говорит Васик Хан. "Наш чип может быть легко интегрирован в другие электронные чипы в целях безопасности, поэтому он может оказать огромное влияние на промышленность. Наши чипы стоят несколько центов каждый, но технология бесценна", - пошутил он.