淺談非接觸式IC卡芯片技術的發展趨勢

文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：張綱   人氣： 發表時間：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展，現在IC卡已經逐步進入了包括金融、通信、醫療、公交、身份識別等在內的多個應用領域，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展。本文將對非接觸式IC卡芯片技術的發展趨勢做一個分析。

    2. 非接觸式IC卡芯片技術的發展趨勢

    1）CPU卡芯片取代邏輯加密卡芯片的發展趨勢

    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、醫療、校園一卡通，門禁等領域。由于非接觸式邏輯加密卡芯片采用的是流密碼技術，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域目前更傾向于使用內嵌微處理器的非接觸式CPU卡芯片。

    CPU卡芯片內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，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內部還設立密碼最大重試次數以防止惡意攻擊。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。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點，因此在國際市場上CPU卡芯片所占的市場份額更多。據國際知名RFID市場研究機構IDTechex統計，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年初是公布的調查結果：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，而國內市場對價格比較敏感，因此目前國內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的多家芯片設計公司都為此做了很多工作，近年來已經取得了一定的效果。可以預見，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送射頻信號的載波調制深度不同。即TypeA是100%調制而TypeB是10%調制。如下圖所示： 

    在通訊過程中，TypeA讀寫器發送給卡的能量傳遞是不連續的，會在短時間內中斷，而TypeB讀寫器發出的能量傳輸是連續的。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調制發送的信號間區別明顯，抗干擾能力強；而10% ASK調制，信號間區別很小，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沖突檢測協議，而TypeB是通過字節、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的專利權由NXP一家擁有，專利權人比較明晰，而TypeB的專利權則由多家公司擁有，專利權人相對不是很明晰。據筆者所知，NXP在國內并沒有申請TypeA的專利，而TypeB則在國內申請了相關專利。

    目前在非接觸式邏輯加密卡市場中，TypeA標準占有明顯的優勢，在國內市場除了二代身份證等少數項目使用TypeB標準以外，其他項目基本上都是用了TypeA技術。由于熟悉TypeA的技術人員和支持的廠商更多一些，因此可以說TypeA的綜合使用環境比較好。

    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卡芯片存儲器介質的發展趨勢

    目前大多數非接觸式CPU卡芯片都采用了EEPROM作為數據存儲器，Mask ROM作為程序存儲器的結構。這樣做的優點是程序讀取速度比較快，也比較穩定，但由于EEPROM面積較大，因此芯片成本也較高。

    IC卡發展到非接觸式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據。過去那種“EEPROM + Mask ROM”的存儲器結構不能再滿足未來的應用需求，采用Flash Memory（閃存）作為數據存儲器和程序存儲器的存儲介質將會是未來非接觸式IC卡技術的發展趨勢。

    Flash Memory相對于EEPROM最大的優勢是面積小，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具體應用靈活更新，如果使用Mask ROM作為存儲介質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技術已經被接觸式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。現在Flash Memory技術有向低功耗，高可靠性以及高讀寫速度方向發展的趨勢，隨著Flash Memory技術的提升，未來Flash Memory應該能夠滿足非接觸式CPU卡的需求，并逐步取代現在“EEPROM + Mask ROM”的存儲方式。

    3. 結語

    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技術的提高，Flash Memory也將被引入非接觸式CPU卡，以Flash Memory為存儲介質的架構會代替現在常見的“EEPROM + Mask ROM”的存儲方式。

    (文/上海復旦微電子股份有限公司 高級產品經理 張綱)