Smart Card芯片技術(shù)發(fā)展新趨勢

發(fā)布時(shí)間:2010-10-14 11:01    發(fā)布者:techshare
關(guān)鍵詞: Card , smart , 芯片技術(shù)
今日芯片卡的發(fā)展重點(diǎn),已從基礎的電子電機技術(shù),轉移到更高層次的流程整合、業(yè)務(wù)統合,如果讓一張芯片卡的價(jià)值效益最大化?如何讓一張芯片卡達到最廣遍的通行適用?如何減少每個(gè)人身上的芯片卡數目,這些就成了新一波的課題,本文以下將針對EE層面的新發(fā)展、新趨勢進(jìn)行更多的了解與說(shuō)明。

所以,今日芯片卡的發(fā)展重點(diǎn),已從基礎的電子電機技術(shù),轉移到更高層次的流程整合、業(yè)務(wù)統合,如果讓一張芯片卡的價(jià)值效益最大化?如何讓一張芯片卡達到最廣遍的通行適用?如何減少每個(gè)人身上的芯片卡數目,這些就成了新一波的課題,不過(guò)這樣的課題已不是電子工程(Electronic Engineering;EE)層面,而是信息技術(shù)(Information Technology;IT)層面,甚至是商務(wù)(Business;Biz)層面,包括數據庫的連通、異業(yè)結盟的格式轉換、交易查核的互通、活動(dòng)方案、營(yíng)運模式、拆帳等等。

縱然如此,但最基礎的EE層面依然有其持續性的進(jìn)步與強化,因此,本文以下將針對EE層面的新發(fā)展、新趨勢進(jìn)行更多的了解與說(shuō)明。

雙界面化的發(fā)展

事實(shí)上早在多年前即有雙接口(Dual Interface)的芯片卡,然而近年來(lái)雙接口的芯片卡有逐漸轉熱的趨勢,此中的代表即是荷蘭Philips(今日為NXP)與日本Sony所合力推行的NFC(Near Field Communication)。

NFC主要是期望讓既有的GSM手機的SIM卡(也包含之后的CDMA的RUIM卡與UMTS的USIM卡)能再具備一個(gè)近接感應接口,如此SIM卡將不僅只用于原有電信營(yíng)運上的身份辨識、計費,也可以用于更多的服務(wù)上,特別是當成電子錢(qián)包、電子車(chē)票來(lái)運用。除此之外,NFC也可用于加密金鑰(Key)的暫存、暫攜、傳遞交換,完成其它無(wú)線(xiàn)通訊裝置(如WiFi、Bluetooth等)的金鑰配發(fā)、布署。

同樣的,日本Renesas也從既有接觸式的AE-4系列芯片卡中,衍生發(fā)展出雙接口版的Dualway系列,Dualway系列一方面在接觸接口上合乎 ISO 7816的規范,另一方面在非接觸的感應上也合乎ISO 14443B的規范,同時(shí)也合乎FeliCa(Sony所研創(chuàng ))的技術(shù)規范。



圖說(shuō):內含64KB記憶容量的USIM卡,USIM主要是供3G(UMTS)手機及服務(wù)而用。

值得注意的是,雙接口的芯片卡雖沒(méi)有太高的技術(shù)門(mén)坎,但從各種角度看,NFC都將成為未來(lái)雙接口芯片卡的主流標準,一是NFC可兼容過(guò)往絕大多數的非接觸式芯片卡,另一則是NFC的技術(shù)標準與實(shí)現作法已愈來(lái)愈清晰,包括記錄格式、交換格式、加密傳輸方式等都已完成定義,甚至連加密芯片與NFC間的接口也都完成定義,即S2C(SigIn-SigOut-Connection)接口,且除了NFC之外,也未見(jiàn)其它有力的雙接口標準規范。

當然,NFC在規范定義上,也提供了類(lèi)似今日USB隨身碟的檔案傳輸應用,只不過(guò)NFC卡是用無(wú)線(xiàn)感應傳輸,USB隨身碟是以USB端口的接觸式接口進(jìn)行傳輸。然而NFC不會(huì )成為無(wú)線(xiàn)感應式的USB隨身碟,原因在于內存類(lèi)型,NFC內所用的內存為EEPROM,USB隨身碟則為NAND Flash,兩者在密度與存取特性上有著(zhù)許多的不同,EEPROM適合小資料量的修改、存取,相對的NAND Flash是以較大的區塊數據進(jìn)行存取。

不過(guò),由于NFC的應用型態(tài)多半是附著(zhù)于手持裝置內,如手機、PDA等,若手機、PDA等裝置本身就內建大量的Flash Memory,或者可連接其它的記憶卡等,如此NFC一樣有機會(huì )進(jìn)行感應式檔案傳輸,然而NFC目前的傳輸率遠不及USB(424kbps對 12Mbps/480Mbps),所以仍只適合小量傳輸。



圖說(shuō):許多精簡(jiǎn)型計算機(Thin Client)都已內建智能卡的卡片閱讀機(卡片/芯片存取器),圖為美國升陽(yáng)計算機(Sun Microsystems)公司的精簡(jiǎn)型計算機:Sun Ray 2,該機上端的垂直縫隙即是芯片卡的入卡處。(資料來(lái)源:Sun.com)

更貼近產(chǎn)業(yè)需求

更貼近各類(lèi)產(chǎn)業(yè)的需求也是芯片卡的持續性趨勢,例如在政府、國防等機構單位需要的是更高安全度的芯片卡,如此芯片業(yè)者便會(huì )積極通過(guò)各種安全驗證,例如 CC(Common Criteria)認證的EAL4+、EAL5層級等(EAL1-7,數字愈高安全性愈高)。

或者在大眾交通運輸上,由于進(jìn)出車(chē)站人數相當多,為了加速通關(guān),芯片卡的感應速度必須更快,一般而言的感應程序需0.3秒,而Sony的FeliCa為了更適合電子車(chē)票的用途,在感應速度上有特別的專(zhuān)精強化,只需要0.1秒即可完成感應,以此來(lái)加速通關(guān)。

另外,在手持運用的設計上,期望能夠用更省電的芯片卡,如此才能為手持裝置保留更多的用電,對此通常會(huì )在芯片內再進(jìn)行工作電壓與頻率的轉換、調節,并且支持省電模式;蛘咴谝恍┤菀鬃屚饬簲D的環(huán)境上,業(yè)者也會(huì )使用更具強韌性的芯片封裝技術(shù),使芯片具有一定的外力抗受性,讓芯片更加耐用,此外也會(huì )有過(guò)電壓偵測與保護、過(guò)熱感測與保護等。




圖說(shuō):Java Card、MULTOS等都在芯片卡上執行其虛擬機器(Virtual Machine),以虛擬機器的作法讓卡片上的應用程序具備可移植性、移植性、交換性,圖為Java Card技術(shù)架構圖。

類(lèi)似的,接觸式芯片也在強化靜電抗受性,讓使用者即便用手指接觸芯片接腳,也不會(huì )使芯片受靜電破壞;蛘呤且恍┫男缘男酒ǎㄈ纾弘娫(huà)卡),則是力求價(jià)格低廉。

此外,業(yè)者也能提供各種封裝(或供貨方式),以盡可能滿(mǎn)足各種芯片卡應用的需求,例如Infineon即有MCC2、MCC8、MFCC1、M8.4等各種封裝,其中M8.4即是針對雙接口需求而設計的封裝;蛉鏡enesas提供晶圓(Wafer)供貨或膠帶式(Chip On Tape;COT)供貨,晶圓供貨可以讓用戶(hù)再行整合、封裝等運用,膠帶式也適合再進(jìn)行其它的嵌入式設計。



圖說(shuō):德國英非凌(Infineon)的智慧卡:SLE 88CFX4003P,該智能卡是針對高階防護應用需求而設計,內部具有400KB的EEPROM、168KB的ROM、以及16KB的RAM等,此外還有32位的處理器、快取機制、內存管理機制等。(資料來(lái)源:Infineon.com)

安全機能的強化

今日芯片卡之所以大量取代磁條卡,首要的需求考慮即是安全性,所以持續強化安全性也是芯片卡必然的課題。舉例而言,今日的芯片卡多會(huì )具備內存防火墻的功效機能,在未得到權限許可下,各應用程序只能存取自有權限下的內存空間、地址,而無(wú)法跨區存取,如此在異業(yè)整合、結盟時(shí),各業(yè)者間才能相互獲得保障,不致使自己的商務(wù)信息、客戶(hù)信息、或客戶(hù)隱私等遭到竊截外泄,此種機能在Renesas方面稱(chēng)為防火墻管理單元(Firewall Management Unit;FMU),在德國Infineon方面則稱(chēng)為「硬件內存管理及防護單元,Hardware Memory Management and Protection Unit」,詞稱(chēng)雖不同,但功效作用相近。

再者,若有惡意人士企圖用精巧的探針手法進(jìn)行數據竊取,芯片卡內也會(huì )偵測到此類(lèi)的侵入,并在未侵入成功前先行將數據刪除,以此保全數據的私密性,此稱(chēng)為「Anti Snooping」技術(shù)。

同樣的為了安全需求,芯片卡內都具備了隨機隨機數的產(chǎn)生機制,不過(guò)為了更安全起見(jiàn),今日幾乎所有的芯片卡都已經(jīng)舍棄過(guò)往以軟件隨機數表所產(chǎn)生的隨機數,用軟件方式產(chǎn)生的隨機數仍有其脈絡(luò )可循,相對的用以硬件方式實(shí)現的隨機數產(chǎn)生器就無(wú)法追尋數字的產(chǎn)生規則、脈絡(luò ),此種作法稱(chēng)為「Hardware Random Number Generator」,或者是「True Random Number Generator;TRNG」,而過(guò)往用軟件方式實(shí)現的作法則稱(chēng)為「Pseudo-Random number generator;PRNG」。

當然!硬件法的另一好處是隨機數的產(chǎn)生速度更快、產(chǎn)生程序的用電更精省,此也有助于芯片卡的認證查核程序、交易處理程序,同時(shí)在電力有限的手持應用上也可受用。

隨機隨機數的產(chǎn)生,主要是用于金鑰的加密,而芯片卡為了強化安全性,無(wú)論在加密算法的類(lèi)型上,以及金鑰長(cháng)度等方面,都進(jìn)行更多的強化,例如過(guò)往僅支持 3DES(Triple Data Encryption Standard)對稱(chēng)加密,而今則多半要再支持AES(Advanced Encryption Standard)對稱(chēng)加密,其它也要支持RSA(Ron Rivest、Adi Shamir、Adleman)非對稱(chēng)加密、SHA-1(Secure Hash Algorithm)雜湊、橢圓曲線(xiàn)(Elliptic Curves)加密等。



圖說(shuō):Renesas在芯片卡方面的展望圖(Roadmap),包括AE-3系列、AE-4系列、以及AE-5系列等,其中AE-3系列使用16位處理器,AE-4系列也是使用16位處理器,但在追加更多的外圍功效(部分AE-4系列提供雙接口,稱(chēng)為Dualway系列),而AE-5系列則使用32位處理器。

更多的硬件加速

若更廣義看待,將隨機隨機數產(chǎn)生由軟件改成硬件,只是芯片卡諸多硬件化加速發(fā)展的一環(huán),其余還有更多的硬件化發(fā)展。算法即是其一,部分芯片卡只支持原有的少數幾種算法,或者雖支持某種算法,但支持的金鑰長(cháng)度有限,此類(lèi)型的芯片卡為了支持更先進(jìn)的算法(如:3DES提升到AES),以及更長(cháng)的金鑰長(cháng)度(如:1024-bit提升到2048-bit),在原有硬件設計已無(wú)法改變的情況下,只能以增寫(xiě)程序的方式來(lái)補強實(shí)現,但也因為用軟件方式實(shí)現,執行的時(shí)間與用電都會(huì )大增。因此,芯片卡業(yè)者都盡可能在新的芯片上加入更多的算法、更多金鑰長(cháng)度等支持,并以硬件方式實(shí)現。

除了隨機隨機數、算法外,今日芯片卡上的應用程序也多半會(huì )在虛擬機器(Virtual Machine)的執行環(huán)境中執行,例如Java Card、MULTOS等,如果完全以軟件方式來(lái)執行虛擬機器及程序代碼,且芯片內的處理器沒(méi)有足夠的運算效能的話(huà),則執行速度將相當緩慢。因此業(yè)者也積極強化此方面,以硬件方式讓虛擬機器的執行獲得加速,如此芯片內的處理器將可挪出更多的運算效能,并更專(zhuān)注在應用程序的執行上,而非虛擬機器的執行。

內存的強化

最后,內存的強化也不可免,無(wú)論ROM、RAM、EEPROM等的容量都隨著(zhù)半導體制程技術(shù)的進(jìn)步而擴增,同時(shí)內存的可抹寫(xiě)次數也不斷增加,數據持存的年限也不斷提升,以及讀出、寫(xiě)入、抹除等的速度愈來(lái)愈快等。凡此種種,都將使芯片卡的應用更加普及與多樣。



圖說(shuō):2005年6月6日,Renesas發(fā)表AE55C1的芯片卡,該芯片卡具有16個(gè)16位的緩存器,每個(gè)指令只要1-2個(gè)狀態(tài)(State)的時(shí)間即可執行完成,內部運作頻率最高達20MHz,此外還具備40KB的EEPROM(使用MONOS制程技術(shù))、240KB的ROM、以及8KB的RAM,DES加解密演算具有硬件加速引擎等。
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