淺談非接觸式IC卡芯片技術(shù)的發(fā)展趨勢
文章出處：http://m.luckydriving.com 作者：張綱 人氣： 發(fā)表時間：2011年10月12日
1. 引言
IC卡自上世紀70年代誕生以來得到了很大的發(fā)展，現(xiàn)在IC卡已經(jīng)逐步進入了包括金融、通信、醫(yī)療、公交、身份識別等在內(nèi)的多個應用領(lǐng)域，使用IC卡的人也越來越多。非接觸式IC卡作為IC卡的一種重要形式，近年來同樣得到了很大的發(fā)展。本文將對非接觸式IC卡芯片技術(shù)的發(fā)展趨勢做一個分析。
2. 非接觸式IC卡芯片技術(shù)的發(fā)展趨勢
1）CPU卡芯片取代邏輯加密卡芯片的發(fā)展趨勢
目前市場上最常見的非接觸式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比得到了廣大用戶的青睞，并已被廣泛應用于公交、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)，密鑰長度也不是很長（比較典型的密碼長度是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、身份識別、電子護照等對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)部都有雙重安全機制，第一重是芯片本身集成的加密算法模塊，芯片設計公司通常都會將經(jīng)實踐檢驗最安全的幾種加密算法集成入芯片，目前比較常見的安全算法有RSA，3-DES等。國內(nèi)芯片設計公司還會引入國密算法（SSF33，SCB2，SM2，SM3等）來加強芯片的安全性。國密算法是不對外公開的，因此國密算法一般比其他公開算法的加密算法具有更高的安全性。第二重保護則是CPU卡芯片特有的COS（Card Operation System）系統(tǒng)，COS可以為芯片設立多個相互獨立的密碼，密鑰以目錄為單位存放，每個目錄下的密鑰相互之間獨立，并且有防火墻功能（不同目錄下密鑰不會互相影響）。同時COS內(nèi)部還設立密碼最大重試次數(shù)以防止惡意攻擊。由此可見，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卡可以實現(xiàn)真正意義上的“一卡多用”，每個應用相互獨立并受控于各自的密鑰管理系統(tǒng)。不同應用可以共享一個“錢包”，也可以分別擁有各自的“錢包”。服務商可以通過使用CPU卡進行更加靈活有效的管理，用戶也能使用CPU卡實現(xiàn)多功能應用的需求。
由于CPU卡芯片比邏輯加密卡芯片具有更多的優(yōu)點，因此在國際市場上CPU卡芯片所占的市場份額更多。據(jù)國際知名RFID市場研究機構(gòu)IDTechex統(tǒng)計，2007年全球CPU卡芯片（含接觸式 CPU卡芯片）的出貨量達到33億，預計2008年CPU卡芯片的出貨量會超過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。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卡芯片設計更復雜，成本相對較高，而國內(nèi)市場對價格比較敏感，因此目前國內(nèi)非接觸式邏輯加密卡芯片的市場份額更大。降低非接觸式CPU卡芯片的成本以提高性價比已成為國內(nèi)智能卡芯片設計公司的工作重點之一，包括上海復旦微電子公司在內(nèi)的多家芯片設計公司都為此做了很多工作，近年來已經(jīng)取得了一定的效果?？梢灶A見，未來隨著芯片成本的降低，非接觸式CPU卡會進入越來越多的應用領(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準的發(fā)展趨勢
目前非接觸式IC卡的傳輸標準主要有ISO/IEC 14443 TypeA和ISO/IEC 14443 TypeB兩種。
TypeA和TypeB都是ISO/IEC 14443規(guī)定的標準，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：
在通訊過程中，TypeA讀寫器發(fā)送給卡的能量傳遞是不連續(xù)的，會在短時間內(nèi)中斷，而TypeB讀寫器發(fā)出的能量傳輸是連續(xù)的。這種通訊方式會造成TypeA卡所能接收到的能量較TypeB少，因此卡芯片電路的設計難度較TypeB要高，外圍電路也要復雜一些。但是在另一方面，100% ASK調(diào)制發(fā)送的信號間區(qū)別明顯，抗干擾能力強；而10% ASK調(diào)制，信號間區(qū)別很小，抗干擾能力弱，容易接收錯誤。實際應用中，TypeA類型卡片因其較強的抗干擾能力在公交、地鐵等領(lǐng)域得到了廣泛的使用。
TypeA的防沖突機制是基于BIT沖突檢測協(xié)議，而TypeB是通過字節(jié)、幀及命令來完成防沖突的。這兩種防沖突機制在實際使用中都能很好的工作。Type A的防沖突流程為NXP（原飛利浦半導體）一家制定，所以標準規(guī)則比較明確，各廠商出品的Type A類型卡指標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的標準由多家制定，各家的產(chǎn)品也可能有所不同，因此相對來說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)人相對不是很明晰。據(jù)筆者所知，NXP在國內(nèi)并沒有申請TypeA的專利，而TypeB則在國內(nèi)申請了相關(guān)專利。
目前在非接觸式邏輯加密卡市場中，TypeA標準占有明顯的優(yōu)勢，在國內(nèi)市場除了二代身份證等少數(shù)項目使用TypeB標準以外，其他項目基本上都是用了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TypeA的綜合使用環(huán)境比較好。
未來IC卡的非接觸式傳輸標準還將以TypeA和TypeB為主，抗干擾能力強，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準也許更受用戶的歡迎。
3）非接觸式CPU卡芯片存儲器介質(zhì)的發(fā)展趨勢
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)存儲器，Mask ROM作為程序存儲器的結(jié)構(gòu)。這樣做的優(yōu)點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，用戶對非接觸式IC卡的多功能應用的要求也越來越高，用戶希望IC卡擁有更多的功能，而每個功能都要有足夠的存儲空間來存儲數(shù)據(jù)。過去那種“EEPROM + Mask ROM”的存儲器結(jié)構(gòu)不能再滿足未來的應用需求，采用Flash Memory（閃存）作為數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的存儲介質(zhì)將會是未來非接觸式IC卡技術(shù)的發(fā)展趨勢。
Flash Memory相對于EEPROM最大的優(yōu)勢是面積小，同樣的芯片面積Flash Memory擁有更多的存儲空間，這滿足了低成本芯片的需要。同時Flash Memory比EEPROM更容易把容量做大，這也滿足了用戶對大容量存儲的需要。
Flash Memory相對于Mask ROM最大的優(yōu)勢是可擦寫。由于未來對非接觸式IC卡多功能應用的要求越來越高，因此用戶往往會希望CPU卡芯片中的程序可以根據(jù)具體應用靈活更新，如果使用Mask ROM作為存儲介質(zhì)必然無法滿足這一需求。而Flash Memory則可以存儲隨時下載的程序以滿足用戶對新功能的需求。
目前Flash Memory技術(shù)已經(jīng)被接觸式CPU卡芯片所采用，但因為Flash 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，隨著Flash Memory技術(shù)的提升，未來Flash Memory應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”的存儲方式。
3. 結(jié)語
綜上所述，未來非接觸式IC卡將會由非接觸式邏輯加密卡逐步過渡到非接觸式CPU卡；CPU卡的非接觸式傳輸標準還將以ISO/IEC 14443 TypeA和ISO/IEC 14443 TypeB為主，抗干擾能力強，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準也許更受用戶的歡迎；而未來隨著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為存儲介質(zhì)的架構(gòu)會代替現(xiàn)在常見的“EEPROM + Mask ROM”的存儲方式。
(文/上海復旦微電子股份有限公司 高級產(chǎn)品經(jīng)理 張綱)
