日立μ芯片：RFID芯片“粉末”登场

　　2005年日本爱知博览会涌入了2200多万名参观者，没有人能持假门票入场，实际上，想伪造门票是不可能的，因为每张门票都内含一个边长0.4、厚0.06公厘的微型射频识别（RFID）芯片，它以无线电波发出一个专属的识别号码给入口的扫描仪。 

　　在东京，该芯片的设计者、日立中央研究所的宇佐美光雄（Mitsuo Usami）举起一小瓶液体，微笑地指着在里面打转的颗粒，它们就像午后阳光下的尘埃那样闪闪发亮。他兴奋地说这是世界上最小的RFID芯片。 

      微型化的吸引力 

　　早在这次的尺寸突破之前，含芯片与天线的RFID标签就被喻为供应链的革命力量。比起人们熟悉的直线条形码，RFID标签的成本较高，但它们仍被视为比条形码更有效率的替代品；好的RFID标签不需人工扫描或转到特定方向就能读取。近年来，沃尔玛之类的大型零售业者已经引进RFID标签，希望能节省数十亿美元的盘点与劳工成本。其它成长中的应用包括电子收费系统、大众运输票券与护照，有些人甚至已将这种芯片植入手掌，可以更方便进出家门、控管计算机。 

　　但日立研发这款新芯片的主要目的是用在防伪技术，它可嵌入高价值的凭证，例如有价证券、音乐会入场券、礼券和现金，宇佐美光雄和同事相信，芯片越小，就越不着痕迹，他说：「随着精细的高科技产品越来越便宜，纸做的东西就越容易伪造。尽管电子付费已日渐普及，支票用起来还是非常方便。」 

　　爱知博览会用的芯片名为μ芯片，跟其它无源RFID芯片一样，运作简单且不需电池或电源。当芯片和连接在一起的天线（通常是细丝状）嵌入物品时，就会对扫描仪发出的2.45GHz微波产生回应，将储存在只读存储器（ROM）中独一无二的128位识别号码转为讯号反射回去，扫描仪就会从数据库（可设在世界上任何地方）检查识别码，立即鉴定物品。 

　　日立指出，μ芯片可用来识别「兆兆」种物品，因为128位设计提供的识别码组合几乎数不尽，有1038种。每一个识别码本身并无意义，但当它符合数据库的一个字段时，就能叫出使用者预先设定给这颗芯片的任意信息。而正在研发中的更小芯片，名为粉末LSI芯片（LSI意为大规模集成电路），储存的也是128位识别码。 

　　μ芯片和粉末芯片都是发展自宇佐美光雄的愿景，这位资深电路工程师在看到i-mode手机广告后，就草绘出这个愿景（i-mode是日本电信巨人NTT在1999年推出的服务，他们的先进设备能让使用者用手机连结因特网）。宇佐美光雄想象出一套由微型RFID芯片及服务器组成的网络：把RFID芯片装入小型装置，基本上里头除了一个用来传给服务器的识别码以外，什么也没有。服务器接收到合法识别码后，就会提供各种人们可能想用的功能。这个概念类似今日的「网云运算」，把原本应该储存在个人计算机的应用程序放在别的地方，再透过因特网来使用。 

　　宇佐美光雄因此将注意力转向创造出小到能装入任何东西的RFID芯片，基于市场考虑，它也必须是便宜、简单又安全。他已略懂微型芯片的研发，早在1990年代，他就设计出一款内嵌微芯片的非磁条式超薄电话卡，由于芯片有加密功能，因此能提供安全性。这款嵌入式芯片边长4公厘，厚0.25公厘。 

　　但宇佐美光雄想要做得更小，首先得搞清楚芯片最小的功能需求为何，于是他求助任职于日立系统开发研究所的安全专家宝木和夫。他们两人长谈一番之后，宇佐美光雄判断：只要使用128位的识别码，就足以把设计做得非常简单，但仍可提供非常多位数的组合。同时，这个做法也能确保安全性，因为储存在ROM的信息无法被修改。他也剔除了所有不必要的功能，保留下的除了ROM之外，就只有简化的无线电射频电路（用来和天线互动）、一个整流电路（用来管理电流），以及一个频率电路（用于芯片内运作的同步化，以及芯片运作和扫描仪间的协调）。 

　　讽刺的是，宇佐美光雄实现缩小微芯片的最大挑战并非技术。当时（现在也是）传统芯片研发总喜欢加大内存和芯片功能，宇佐美光雄提出的精简设计，无异是违反潮流。日立商业部门大力反对，他们希望芯片纳入可改写的加密功能。如果得不到该部门的财务支持，宇佐美光雄的点子将会永远停留在纸上。 

　　但是一位意料之外的人士介入了。当时日立的研究开发本部部长浅井彰二郎看到这项计划的潜力，承诺资助μ芯片雏形产品的制造（μ这个希腊字母代表微米），条件是宇佐美光雄必须能回收所有成本。将芯片用来防伪满足了这个条件，μ芯片在2005年爱知博览会的成功，说服了日立让宇佐美光雄继续实现缩小的构想。 

     制造粉末芯片 

　　基本上，粉末芯片的组成组件和μ芯片相同，只是将它们挤进更小的空间。超级微型化的关键之一是运用所谓的90奈米绝缘层上覆硅技术（SOI），这是由IBM首创的先进芯片制程，现在其它厂商也都在使用。 

　　使用SOI制作的处理器，以绝缘体将晶体管一个个隔开，比传统制程的处理器效能更高、更省电，因为绝缘体既能降低电能被周围媒材吸收的程度（可提升讯号强度），又能分隔晶体管，这种分隔方式既能避免晶体管互相干扰，又能把它们包得更紧，因此让芯片尺寸进一步缩小。 

　　电子束微影制程技术也派上用场。这项技术利用聚焦的电子束，在有限的空间内制作出独特的线路图样，用来代表芯片的专属识别码。电子束微影制程布设电路图样时，比光刻技术慢，因为它是以循序而非平行方式产生图样。然而，日立研发出一种方法，使生产粉末芯片的速度比生产μ芯片快60倍。 

　　典型的RFID标签包含芯片和外部天线，μ芯片也是如此。然而在某些应用中，μ芯片和粉末芯片就需要嵌在芯片上的内部天线，但那会缩减扫描仪的有效距离。日立商业化的μ芯片中含有外部天线者，目前最大扫描距离是30公分，而粉末芯片雏形也是一样，扫描范围虽然短，但已经足以应付现金或有价证券方面的大部份应用。日立公司目前正在研究如何延伸外部及内部天线的有效范围，范围的条件视用途而定：金钱或有价证券只需要几公厘或几公分，而包裹分拣则大约需要一公尺的范围。日立公司也正在努力发展「防碰撞」技术，以便能同时读取多个芯片，例如许多货品在商店架上摆在一起、或是被丢进同一个购物篮的情形。 

     无所不在的第三只眼？ 

　　虽然把微型RFID放进现金是很合逻辑的应用，但装有芯片的现金可能会加剧RFID应用所引发的隐私权疑虑。举例来说，不肖份子可能会远距离扫描他人钱包里的内容。然而，把标签设计成只适用短距离扫描仪（例如自动提款机里的读取器），就能限制这种侵犯隐私的行为。还有，犯罪者也必须连上正确的服务器和数据库，才能得到有意义的信息。 

　　尚在研发的粉末LSI芯片尺寸极小，也有助于实现科幻小说的情节。例如，警方是否可以把粉末喷洒在一群暴民身上，事后再透过布设在道路或大众运输系统的安检扫描仪追踪他们？日立制作所表示，用喷的来安装芯片是行不通的，因为芯片必须加装天线才有用。宇佐美光雄则说：“许多公民团体已经发展出使用RFID时保护隐私权的规范。这种技术有个基本规范是：不能暗地里使用。”

　　然而，英国的《卫报》报导过一个案例，连锁超市特易购（Tesco）曾经试卖加装RFID标签的吉列刮胡刀，如果有人企图偷窃，就会触动隐藏式摄影机。虽然隐私权拥护者可能也认同RFID对货运及供应链的好处，他们还是希望一旦东西被购买后，能把标签去除或关掉。 

　　宇佐美光雄认为，RFID的潜在好处胜过风险：「例如在人行道地砖或斑马线装入RFID标签，能帮助轮椅的自动导航系统。这在日本这个高龄化社会尤其重要。」就算现在纸张使用率降低，在有限的尺寸、存取和复杂度之下，微型RFID芯片还是很有用。举例来说，日立认为未来把粉末芯片用于公司、工厂和其它设施的复杂电路配线系统，可减少安装和检验时间。把电缆和接头装上芯片，工作人员就能快速依照数据库以及相关设计图做检查，而不必依赖肉眼进行冗长的检视。 

　　如果隐私权拥护者忧心芯片越来越难被发现，他们并非杞人忧天──宇佐美光雄说，微型化的趋势将持续下去。