浅谈非接触式IC卡芯片技术的发展趋势

    1. 引言

    IC卡自上世纪70年代诞生以来得到了很大的发展，现在IC卡已经逐步进入了包括金融、通信、医疗、公交、身份识别等在内的多个应用领域，使用IC卡的人也越来越多。非接触式IC卡作为IC卡的一种重要形式，近年来同样得到了很大的发展。本文将对非接触式IC卡芯片技术的发展趋势做一个分析。

    2. 非接触式IC卡芯片技术的发展趋势

    1）CPU卡芯片取代逻辑加密卡芯片的发展趋势

    目前市场上最常见的非接触式IC卡是非接触式逻辑加密卡，这类IC卡凭借其良好的性能和较高的性价比得到了广大用户的青睐，并已被广泛应用于公交、医疗、校园一卡通，门禁等领域。由于非接触式逻辑加密卡芯片采用的是流密码技术，密钥长度也不是很长（比较典型的密码长度是Mifare的48 bit），因此逻辑加密卡芯片普遍存在着一定的安全隐患，有被黑客破解的可能。在金融、身份识别、电子护照等对安全要求比较高的领域目前更倾向于使用内嵌微处理器的非接触式CPU卡芯片。

    CPU卡芯片内部都有双重安全机制，第一重是芯片本身集成的加密算法模块，芯片设计公司通常都会将经实践检验最安全的几种加密算法集成入芯片，目前比较常见的安全算法有RSA，3-DES等。国内芯片设计公司还会引入国密算法（SSF33，SCB2，SM2，SM3等）来加强芯片的安全性。国密算法是不对外公开的，因此国密算法一般比其他公开算法的加密算法具有更高的安全性。第二重保护则是CPU卡芯片特有的COS（Card Operation System）系统，COS可以为芯片设立多个相互独立的密码，密钥以目录为单位存放，每个目录下的密钥相互之间独立，并且有防火墙功能（不同目录下密钥不会互相影响）。同时COS内部还设立密码最大重试次数以防止恶意攻击。由此可见，非接触式CPU卡比非接触式逻辑加密卡具有更高的安全性。

    除此以外，CPU卡可以实现真正意义上的“一卡多用”，每个应用相互独立并受控于各自的密钥管理系统。不同应用可以共享一个“钱包”，也可以分别拥有各自的“钱包”。服务商可以通过使用CPU卡进行更加灵活有效的管理，用户也能使用CPU卡实现多功能应用的需求。

    由于CPU卡芯片比逻辑加密卡芯片具有更多的优点，因此在国际市场上CPU卡芯片所占的市场份额更多。据国际知名RFID市场研究机构IDTechex统计，2007年全球CPU卡芯片（含接触式 CPU卡芯片）的出货量达到33亿，预计2008年CPU卡芯片的出货量会超过38亿，而逻辑加密卡2007年的出货量则不到10亿，并且有逐年下滑的趋势。下图即为IDTechex公司2008n年初是公布的调查结果：图中Microprocessor卡指的就是CPU卡， Memory卡指的是逻辑加密卡。

    （摘自IDTechEx “RFID Analyst 2008 Jan.”）

    由于CPU卡芯片设计更复杂，成本相对较高，而国内市场对价格比较敏感，因此目前国内非接触式逻辑加密卡芯片的市场份额更大。降低非接触式CPU卡芯片的成本以提高性价比已成为国内智能卡芯片设计公司的工作重点之一，包括上海复旦微电子公司在内的多家芯片设计公司都为此做了很多工作，近年来已经取得了一定的效果。可以预见，未来随着芯片成本的降低，非接触式CPU卡会进入越来越多的应用领域并逐步取代非接触式逻辑加密卡而成为非接触式IC卡最主要的形式。

    2）CPU卡芯片非接触式传输标准的发展趋势

    目前非接触式IC卡的传输标准主要有ISO/IEC 14443 TypeA和ISO/IEC 14443 TypeB两种。

    TypeA和TypeB都是ISO/IEC 14443规定的标准，都使用了13.56MHz的载波频率，最高通讯速率也均为424kbits/s。它们之间最主要的差别在于读写器发送射频信号的载波调制深度不同。即TypeA是100%调制而TypeB是10%调制。如下图所示： 

    在通讯过程中，TypeA读写器发送给卡的能量传递是不连续的，会在短时间内中断，而TypeB读写器发出的能量传输是连续的。这种通讯方式会造成TypeA卡所能接收到的能量较TypeB少，因此卡芯片电路的设计难度较TypeB要高，外围电路也要复杂一些。但是在另一方面，100% ASK调制发送的信号间区别明显，抗干扰能力强；而10% ASK调制，信号间区别很小，抗干扰能力弱，容易接收错误。实际应用中，TypeA类型卡片因其较强的抗干扰能力在公交、地铁等领域得到了广泛的使用。

    TypeA的防冲突机制是基于BIT冲突检测协议，而TypeB是通过字节、帧及命令来完成防冲突的。这两种防冲突机制在实际使用中都能很好的工作。Type A的防冲突流程为NXP（原飞利浦半导体）一家制定，所以标准规则比较明确，各厂商出品的Type A类型卡指标和性能一致性比较高，产品的互操作性和兼容性比较好。而Type B的标准由多家制定，各家的产品也可能有所不同，因此相对来说兼容性可能不是特别好。此外TypeA的专利权由NXP一家拥有，专利权人比较明晰，而TypeB的专利权则由多家公司拥有，专利权人相对不是很明晰。据笔者所知，NXP在国内并没有申请TypeA的专利，而TypeB则在国内申请了相关专利。

    目前在非接触式逻辑加密卡市场中，TypeA标准占有明显的优势，在国内市场除了二代身份证等少数项目使用TypeB标准以外，其他项目基本上都是用了TypeA技术。由于熟悉TypeA的技术人员和支持的厂商更多一些，因此可以说TypeA的综合使用环境比较好。

    未来IC卡的非接触式传输标准还将以TypeA和TypeB为主，抗干扰能力强，综合使用环境好，互操作性和兼容性比较好的非接触式传输标准也许更受用户的欢迎。

    3）非接触式CPU卡芯片存储器介质的发展趋势

    目前大多数非接触式CPU卡芯片都采用了EEPROM作为数据存储器，Mask ROM作为程序存储器的结构。这样做的优点是程序读取速度比较快，也比较稳定，但由于EEPROM面积较大，因此芯片成本也较高。

    IC卡发展到非接触式CPU卡阶段以后，用户对非接触式IC卡的多功能应用的要求也越来越高，用户希望IC卡拥有更多的功能，而每个功能都要有足够的存储空间来存储数据。过去那种“EEPROM + Mask ROM”的存储器结构不能再满足未来的应用需求，采用Flash Memory（闪存）作为数据存储器和程序存储器的存储介质将会是未来非接触式IC卡技术的发展趋势。

    Flash Memory相对于EEPROM最大的优势是面积小，同样的芯片面积Flash Memory拥有更多的存储空间，这满足了低成本芯片的需要。同时Flash Memory比EEPROM更容易把容量做大，这也满足了用户对大容量存储的需要。 

    Flash Memory相对于Mask ROM最大的优势是可擦写。由于未来对非接触式IC卡多功能应用的要求越来越高，因此用户往往会希望CPU卡芯片中的程序可以根据具体应用灵活更新，如果使用Mask ROM作为存储介质必然无法满足这一需求。而Flash Memory则可以存储随时下载的程序以满足用户对新功能的需求。

    目前Flash Memory技术已经被接触式CPU卡芯片所采用，但因为Flash Memory在功耗，可靠性，读写速度等方面与EEPROM相比仍存在一定的差距，所以目前在非接触式CPU卡中应用的并不多。现在Flash Memory技术有向低功耗，高可靠性以及高读写速度方向发展的趋势，随着Flash Memory技术的提升，未来Flash Memory应该能够满足非接触式CPU卡的需求，并逐步取代现在“EEPROM + Mask ROM”的存储方式。

    3. 结语

    综上所述，未来非接触式IC卡将会由非接触式逻辑加密卡逐步过渡到非接触式CPU卡；CPU卡的非接触式传输标准还将以ISO/IEC 14443 TypeA和ISO/IEC 14443 TypeB为主，抗干扰能力强，综合使用环境好，互操作性和兼容性比较好的非接触式传输标准也许更受用户的欢迎；而未来随着Flash Memory技术的提高，Flash Memory也将被引入非接触式CPU卡，以Flash Memory为存储介质的架构会代替现在常见的“EEPROM + Mask ROM”的存储方式。

    (文/上海复旦微电子股份有限公司 高级产品经理 张纲)