加密的“万物标签”可以保护供应链

为了打击每年给公司带来数十亿美元损失的供应链造假，麻省理工学院的研究人员发明了一种尺寸足够小的加密ID标签，几乎可以贴在任何产品上并验证其真实性。

经合组织(经济合作与发展组织OECD)在2018年的一份报告估计，2020年，全球将销售价值约2万亿美元的假冒商品。这对于消费者和那些从世界各地订购不同来源零件的产品制造商来说，都是一个坏消息。

造假者往往使用包含许多检查点的复杂路线，使其难以核实产品来源和真实性。最终的结果是，零售商和消费者可能会拿到假冒商品。随着无线ID标签在每个检查点的易手，它们在验证资产方面变得越来越普遍。但是这些标签具有各种尺寸，成本、能源和安全性的权衡考量也限制了它们的潜力。

例如，普通的RFID标签尺寸过大，无法安装在医疗部件、工业组件、汽车零件或硅片等微小的物体上。RFID标签也没有严格的安全标准。有些标签是采用加密方案构建的，可以防止克隆和抵御黑客攻击，但它们尺寸大，耗电量也大。缩减标签意味着既要放弃天线封装(可以实现射频通信)，又要放弃强加密功能。

在2月19日于IEEE国际固态电路会议(ISSCC)上发表的一篇论文中，研究人员介绍了一种ID芯片，可解决所有那些难以抉择的问题。该芯片毫米级尺寸，并可依靠光伏二极管提供的较低功率运行。它还使用无功率“反向散射”技术远距离传输数据，这种技术的工作频率比RFID高数百倍。算法优化技术还使芯片能够运行一种普通的加密方案，保证使用极低的能量来进行安全通信。

“我们称它为‘万物标签’。‘万物’意味着所有。”论文共同作者、电气工程与计算机科学系副教授Ruonan Han说，“假设我想跟踪单个螺栓或牙齿植入物或硅片的物流，当前的RFID标签无法实现这一目标。我们创造了一种低成本的微型芯片，无需包装、电池或其他外部组件，就可以存储和传输敏感数据。”

系统集成

论文研究团队开始这项工作是为了创造更好的RFID标签。该团队希望取消会使标签变得笨重并增加制造成本的封装工序。他们还希望在微波和红外辐射之间以高太赫兹频率进行通信(大约100GHz到10THz)，从而实现天线阵列的芯片集成和更远读取距离的无线通信。最后，他们想要加密协议，因为RFID标签实际上可以由任何阅读器扫描，并且可以不加选择地传输其数据。

但要包含以上所有那些功能通常需要构建一个相当大的芯片。与之相反的是，研究人员提出了“一个相当大的系统集成”，与Han一起参与论文发表的研究生易卜拉欣说，这就使得所有信息都可以放在一块只有1.6平方毫米的没有分层的单晶硅上。

研究中的一个创新是小天线阵列，可以通过标签和阅读器之间的反向散射来回传输数据。反向散射常用于RFID技术中，当标签将输入信号反射回阅读器时会发生轻微的调制，以对应于数据传输。在研究人员的系统中，天线使用某些信号分离和混合技术将太赫兹范围内的信号反向散射。这些信号首先与阅读器连接，然后发送数据进行加密。

天线阵列中实现了“波束控制”功能，其中天线将信号聚焦到阅读器，使其更有效，并增加信号强度和范围，减少干扰。研究人员说，这是通过反向散射标签进行光束转向的首次演示。

天线上的微小孔可让阅读器发出的光穿过下方的光电二极管，从而将光转换为约1伏的电。这为芯片的处理器供电，该处理器运行芯片的“椭圆曲线密码”(ECC)方案。ECC使用私钥(仅用户知道)和公钥(广泛传播)的组合来保持通信的私密性。在研究人员的系统中，标签使用一个私钥和一个阅读器的公钥来仅对有效的阅读器进行自我标识。这意味着任何不具有阅读器私钥的窃取者都不能仅通过监视无线链路来识别哪个标签是协议的一部分。

论文另一参与者波士顿大学助理教授亚齐基尔说，优化密码和硬件可以让该方案在节能的小型处理器上运行。“这始终是一个折中方案。如果可以承担更高功耗的预算和更大的尺寸，则可以使用加密技术。但是挑战在于，如何在如此小的标签上以低功耗的预算实现安全性。”

突破极限

目前，信号范围在5厘米左右，这被认为是远场范围，可以便捷地使用便携式标签扫描仪。易卜拉欣说，下一步，研究人员希望进一步“突破极限”这一范围。最终，他们希望许多标签能够对位于供应链检查站接收室等较远位置的一个阅读器实现信号传输。这样就可以迅速核实许多资产。

易卜拉欣说：“我们认为可以将阅读器作为一个中心枢纽，而不必靠近标签，所有这些芯片都可以通过光束控制信号与阅读器进行连接。”

研究人员还希望通过太赫兹信号本身为芯片提供完全电源，从而消除对光电二极管的任何需求。

这些芯片非常小巧，易于制造且价格便宜，还可以嵌入更大的硅计算机芯片中，而硅计算机芯片是伪造的热门目标。

论文参与者中另一名研究生瓦西克汗说：“美国半导体行业每年因假冒芯片而遭受70亿至100亿美元的损失。为了安全起见，我们的芯片可以无缝集成到其他电子芯片中，因此可能会对行业产生巨大影响。我们的芯片每片只要几美分，但这项技术是无价之宝。”他打趣道。