面向NFC的安全轻量级芯片

李江海 方舟 刘皖熠 徐乐 王雨彤

摘 要：文中设计的面向NFC的安全轻量级芯片具有序列标识唯一，不可复制等特点，具有5G通信车联网系统、身份认证、中高端商品防伪认证、物联追踪、工业设备及耗材安全防护、办公系统信息安全保护以及二维码替代等功能，市场前景广阔。

关键词：NFC

1 作品简介

安全问题是任何新兴科技都要面对的问题，物联网也不例外。在5G通信数据信息的超高速传输下，物联网芯片安全至关重要。

NFC（近场通信）作为物联网的重要组成部分，本团队从硬件安全的角度出发，针对NFC通信安全研发了具有自主知识产权的产品，即具有物理不可克隆的RFID源标签和完备的安全加密、认证追溯物联系统。基于“芯片指纹”—物理不可克隆技术（PUF）提取芯片的工艺偏差和随机参数，生成芯片唯一的序列标识，使每个芯片具有唯一的、不可复制的“指纹”身份。物联追溯系统工作示意图如图1所示。

团队目前主要将该技术应用在NFC通信射频识别技术（RFID）中，构建了集RFID源标签、源标签配套读写设备、源标签信息数据库和物联认证追溯平台，以及集大数据分析与服务为一体的物联信息系统。通过该PUF技术对RFID芯片进行加密，使得每一个RFID标签具有唯一的识别码，从而使之具有唯一性和不可被复制性。凡是集成了RFID源标签的物品，人们可以通过本团队提供的多种查询及认证方式识别该物品，实现5G通信车联网系统、身份认证、中高端商品防伪认证（烟酒类、化妆品类、药品、服饰、高端奢侈品等）、物联追踪（医疗器械、药品、汽车配件、打印机硒鼓等）、工业设备及耗材安全防护、办公系统信息安全保护（电子政务、行政管理、财务系统等）以及二维码替代等功能。

2 工作原理

物理不可克隆电路部分：PUF技术作为芯片指纹为芯片认证提供安全的密钥管理以及正随机数源，利用纳米级器件技术实现了物理和数学不可克隆且不可预测的随机变化，它不可破坏也不可篡改，具有高可靠性。每次电路供电时，每个单元都有不同的状态，这是由阈值电压的随机差异引起的。因此，电路响应采取产生0和1的随机模式。这种模式类似芯片的指纹，对于电路而言是独一无二的。电路算法分为两大阶段，即注册阶段和密钥生成阶段。

（1）注册阶段：设备供电，PUF电路输出响应，由算法生成辅助数据（Help Data）;

（2）密钥生成阶段：纠错算法对辅助数据进行纠错处理，得到根数据（Root Key），即芯片密钥。

PUF电路核心结构如图2所示，芯片空间示意如图3所示，具有PUF芯片的RFID源标签及读写设备实物如图4所示。

物联追溯系统将加密提取到的每个RFID源标签序列号写入后台系统数据库，源标签结合产品使用，系统数据库将记录产品在生产、流通和使用过程中的信息。前端配备专用APP，用户可使用其识别产品源标签部分序列号，并与系统后台数据库中的信息进行比对，实现产品的查询追溯工作。系统功能流程如图5所示。

3 创新点

信息的安全性得到保证：原始的RFID芯片安全性不佳，已经被证明能够被攻破，若再附加加密算法，成本、体积等都会增加。而PUF利用了芯片制造过程中注入和光照等工序的随机工艺偏差，产生芯片的唯一“指纹”，可作为芯片的唯一标识信息。芯片随机工艺偏差和物理扰动生成的芯片标识是在制造过程中被自行产生，芯片的设计者、制造者、生产者均无法对其进行控制，因此使其具有唯一性，使得复制仿造序列号相同的芯片成为泡影。此外，PUF技术提取的“指纹”信息由于利用芯片制造的随机工艺偏差和物理扰动制成，因此是无法预测的、毫无规律的，具有较好的随机特性。利用该随机特性，可产生随机PUF KEY，以显著提升密码算法的抗攻击性能和安全等级。

防伪追溯效果更佳、适用性更好：由于通过PUF电路提取的芯片序列号都是唯一的、不可被复制的，因而“芯元”产品能有效杜绝假冒产品，保证追溯系统中产品不被调包;适用便捷性体现在“芯元”可供消费者随时随地并且轻而易举地查询真伪、追溯源头。

4 市场前景

目前团队主要面向NFC领域的RFID市场。RFID作为通信领域的新兴技术，在实时更新资料、存储信息量、使用寿命、工作效率、安全性等方面都具有优势，目前已被广泛应用于物流、交通、身份識别、防伪、电子金融、档案查阅等领域。

自2010年中国物联网发展被正式列入国家发展战略后，RFID及物联网产业迎来较大发展机遇。据前期市场调研结果可知，随着RFID及物联网行业的快速发展，行业市场规模快速增长，数据显示，2016年我国RFID的市场规模达到542.7亿元。在技术进步、下游应用不断丰富的进程中，全球市场不断扩大。2010年，全球RFID市场规模约85.4亿美元，到2017年已达到288.9亿美元，2018年超过320亿美元，预计2019年达到380亿美元，并以每年20%的市场增速扩张。根据研发投入测算，认为价格在5美元以上的芯片，主要应用于军事、生物科技和医疗方面等有源器件;10美分～1美元的RFID设备常用于运输、仓储等无源器件;消费应用，如零售、医药、票证、货币等标签费用均低于5美分。本公司拟开发的源标签产品价格低于1美元，具有很强市场竞争力。随着中国经济的高速发展，RFID源标签在金融支付、物流、零售、制造业、服装业、医疗、身份识别、防伪、食品、汽车、航空、军事等领域将发挥重要作用，市场前景广阔。