美国麻省理工学院研制出新型加密防伪标签

导读

据美国麻省理工学院官网近日报道，为了防止供应链制假，该校研究人员发明了一种加密的身份标签，它小到足以适合几乎任何产品，并能验证其真实性。

背景

供应链制假，每年会给公司造成数十亿美元的损失。经济合作与发展组织2018年的一份报告估计，价值大约2万亿的假冒伪劣商品将于2020年在全球范围内销售。对于消费者以及从世界各地订购不同来源的零件来制造产品的公司来说，这都是坏消息。

举例来说，如今流行的射频识别(RFID)标签就太大了，不适合微型物体，例如医疗与工业部件、汽车部件或者硅芯片。

RFID标签(图片来源：Eric Brockmeyer/Disney Research)

RFID 标签也没有严格的安全措施。某些标签采用加密机制构建，以防止克隆并抵御黑客，但是它们尺寸太大，耗电太多。缩小标签的尺寸，意味着放弃封装天线(天线实现了射频通信)以及运行强大加密技术的能力。

创新

在一篇于2月20日在国际固态电路年度会议(ISSCC)上发表的论文中，研究人员们描述了一款身份芯片，权衡了所有这些因素。它的尺寸是毫米级的，并且运行在光伏二极管供电的相对低功耗的水平上。它也采用了一种无功耗的“反向散射”技术，长距离传输数据。它的工作频率比RFID技术高几百倍。算法优化技术也使得芯片能运行普通的加密方案，保证能耗极低的安全通信。

(图片来源：麻省理工学院)

论文合著者、微系统技术实验室(MTL)太赫兹集成电子小组领头人、电气工程与计算机科学系副教授 Ruonan Han 表示：“我们称之为‘万物的标签’。万物应该意味着所有东西。如果我想要追踪，例如一个单螺栓或者一颗种植牙或者一片硅芯片的物流，现有的RFID标签无法做到。我们打造了一款没有包装、电池或者其他外部组件的低成本微芯片，它可以存储和传输敏感数据。”

其他的研究人员还包括：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、麻省理工学院工学院主任、电气工程与计算机科学系教授 Anantha P. Chandrakasan。

技术

这项研究开始是要创造一款更好的RFID标签。团队想要去掉使标签变笨重以及增加制造成本的包装。他们也想要在微波与红外线之间的高太赫兹频率(约100GHz到10THz)进行通信，这样就能实现天线阵列的芯片集成，以及阅读器距离更远的无线通信。最终，他们希望要加密协议，因为RFID标签需要基本上能够被任何阅读器扫描，并随意地传输数据。

但是，所有这些功能通常需要构造一个相当大的芯片。Ibrahim 表示，取而代之的是，研究人员提出了“一种相当大的系统集成”。这种集成使得所有东西都放在了一片(不是分层的)硅芯片上，其面积仅约有1.6平方毫米。

下图所示，尽管只有一粒芝麻种子那么大，这个身份标签(右侧放大)可以在与大得多的RFID标签(左)媲美的阅读器距离上进行无线通信，并运行加密算法帮助保证供应链中几乎所有产品的安全。

(图片来源：麻省理工学院)

一个创新之处就是小型天线阵列，它通过标签与阅读器之间的反向散射，向前后传输数据。在RFID技术中，反向散射被普遍使用。当标签将输入信号与传输数据相对应进行轻微调制，反射回阅读器时，反向散射就发生了。在研究人员们的系统中，天线采用一些信号拆分与混合技术，在太赫兹范围内反向散射这些信号。这些信号首先与阅读器连接，然后发送数据进行加密。

天线阵列中实现了一种“波束转向(beam steering)”功能，天线将信号聚焦至阅读器，使之更加高效，增加信号的强度和范围，减少干扰。研究人员们表示，这是首次使用反向散射的标签来演示波束转向。

天线中的微洞使来自阅读器的光线通过下方的光电二极管，光电二极管将光线转化为1伏特的电力。它启动了芯片的处理器，处理器运行芯片的“椭圆曲线加密算法(ECC)”。ECC采用私钥(仅用户知道)和公钥(广泛传播)来保持通信私密。在研究人员们的系统中，标签采用私钥和阅读器的公钥，来保证它自己只被合法的阅读器识别。这意味，任何没有阅读器私钥的窃听者，都不能仅通过监测无线链接来识别哪个标签是协议的一部分。

Yazicigil 表示，优化密码与硬件，使得方案能运行在节能的小型处理器上。她说：“我们总是需要进行权衡。如果你能承受更高的功率预算以及更大的尺寸，那么你就可以加入加密方案。但是挑战在于，在如此小的标签中，以极低的功率预算保证安全性。”

目前，信号范围在5厘米左右，这被认为是远场范围，便于使用便携式标签扫描仪。Ibrahim 表示，下一步，研究人员希望挑战更远的距离。最终，他们想要许多标签连接一个远处的阅读器，例如供应链检查点的接收室。然后，许多资产就能得到迅速核实。

Ibrahim 表示：“我们认为，我们可将一个阅读器作为无需接近标签的中央集线器，所有这些芯片可以对它们的信号进行波束转向，从而与那个阅读器进行通信。”

研究人员也希望，通过太赫兹信号本身来为芯片供电，从而不再需要光电二极管。

这些芯片很小，很容易制造，很便宜，也可以嵌入到较大的硅计算机芯片中，这些芯片是特别受欢迎的伪造目标。

Wasiq Khan 表示：“美国半导体行业每年由于伪造的芯片遭受70亿到100亿美元的损失。为了安全，我们的芯片可以无缝集成到其他电子芯片中，这样就可以对行业产生巨大影响。我们的芯片每片只需花费几美分，但这项技术是无价之宝。”