För att bekämpa förfalskning i leveranskedjan, som kan kosta företag miljarder dollar årligen, MIT-forskare har uppfunnit en kryptografisk ID-tagg som är tillräckligt liten för att passa på praktiskt taget alla produkter och verifiera dess äkthet.

En rapport från 2018 från Organisationen för ekonomiskt samarbete och utveckling uppskattar att förfalskade varor för cirka 2 biljoner dollar kommer att säljas över hela världen under 2020. Det är dåliga nyheter för konsumenter och företag som beställer delar från olika källor över hela världen för att bygga produkter.

Förfalskare tenderar att använda komplexa rutter som inkluderar många kontrollpunkter, vilket gör det svårt att verifiera deras ursprung och äkthet. Följaktligen, företag kan sluta med imiterade delar. Trådlösa ID-taggar blir allt mer populära för autentisering av tillgångar när de byter ägare vid varje kontrollpunkt. Men dessa taggar kommer med olika storlekar, kosta, energi, och säkerhetsavvägningar som begränsar deras potential.

Populära taggar för radiofrekvensidentifiering (RFID), till exempel, är för stora för att passa på små föremål som medicinska och industriella komponenter, bildelar, eller kiselchips. RFID-taggar innehåller heller inga tuffa säkerhetsåtgärder. Vissa taggar är byggda med krypteringsscheman för att skydda mot kloning och avvärja hackare, men de är stora och kraftsugna. Att krympa taggarna innebär att ge upp både antennpaketet – vilket möjliggör radiofrekvenskommunikation – och möjligheten att köra stark kryptering.

I ett dokument som presenterades i går vid IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), forskarna beskriver ett ID-chip som navigerar alla dessa avvägningar. Den är millimeterstor och går på relativt låga nivåer av ström från fotovoltaiska dioder. Den överför också data på långt avstånd, använder en strömfri "backscatter"-teknik som arbetar med en frekvens som är hundratals gånger högre än RFID. Algoritmoptimeringstekniker gör det också möjligt för chipet att köra ett populärt kryptografischema som garanterar säker kommunikation med extremt låg energi.

"Vi kallar det "taggen för allting." Och allt borde betyda allt, " säger medförfattaren Ruonan Han, en docent vid institutionen för elektroteknik och datavetenskap och chef för Terahertz Integrated Electronics Group i Microsystems Technology Laboratories (MTL). "Om jag vill spåra logistiken för, säga, en enda bult eller tandimplantat eller silikonchip, nuvarande RFID-taggar möjliggör inte det. Vi byggde en låg kostnad, litet chip utan förpackning, batterier, eller andra externa komponenter, som lagrar och överför känslig information."

Med Han på tidningen är:doktorander Mohamed I. Ibrahim, Muhammad Ibrahim Wasiq Khan, och Chiraag S. Juvekar; tidigare postdoc-assistent Wanyeong Jung; tidigare postdoc Rabia Tugce Yazicigil; och Anantha P. Chandrakasan, som är dekanus för MIT School of Engineering och Vannevar Bush professor i elektroteknik och datavetenskap.

Systemintegration

Arbetet började som ett sätt att skapa bättre RFID-taggar. Teamet ville göra sig av med förpackningar, vilket gör taggarna skrymmande och ökar tillverkningskostnaderna. De ville också ha kommunikation i den höga terahertzfrekvensen mellan mikrovågsstrålning och infraröd strålning – runt 100 gigahertz och 10 terahertz – som möjliggör chipintegration av en antennuppsättning och trådlös kommunikation på större läsaravstånd. Till sist, de ville ha kryptografiska protokoll eftersom RFID-taggar kan skannas av i princip vilken läsare som helst och överföra deras data urskillningslöst.

Men att inkludera alla dessa funktioner skulle normalt kräva att man byggde ett ganska stort chip. Istället, forskarna kom fram till "en ganska stor systemintegration, " säger Ibrahim, som gjorde det möjligt att sätta allt på en monolitisk – innebörd, inte skiktat — kiselchip som bara var cirka 1,6 kvadratmillimeter.

En innovation är en rad små antenner som överför data fram och tillbaka via backscattering mellan taggen och läsaren. Backscatter, används ofta i RFID-teknik, händer när en tagg reflekterar en insignal tillbaka till en läsare med lätta moduleringar som motsvarar data som överförs. I forskarnas system, Antennerna använder vissa tekniker för signaldelning och blandning för att sprida tillbaka signaler i terahertzområdet. Dessa signaler ansluter först till läsaren och skickar sedan data för kryptering.

Implementerad i antennuppsättningen är en "beam steering"-funktion, där antennerna fokuserar signaler mot en läsare, göra dem mer effektiva, öka signalstyrkan och räckvidden, och minska störningar. Detta är den första demonstrationen av strålstyrning med en backscattering-tagg, enligt forskarna.

Små hål i antennerna tillåter ljus från läsaren att passera genom till fotodioder under som omvandlar ljuset till cirka 1 volt elektricitet. Det sätter igång chipets processor, som kör chipets "elliptic-curve-cryptography" (ECC)-schema. ECC använder en kombination av privata nycklar (endast kända för en användare) och publika nycklar (som sprids brett) för att hålla kommunikationen privat. I forskarnas system, taggen använder en privat nyckel och en läsares publika nyckel för att identifiera sig endast för giltiga läsare. Det betyder att alla avlyssnare som inte har läsarens privata nyckel inte ska kunna identifiera vilken tagg som är en del av protokollet genom att bara övervaka den trådlösa länken.

Genom att optimera den kryptografiska koden och hårdvaran kan schemat köras på en energieffektiv och liten processor, säger Yazicigil. "Det är alltid en avvägning, " säger hon. "Om du tolererar en budget med högre effekt och större storlek, du kan inkludera kryptografi. Men utmaningen är att ha säkerhet i en så liten tagg med en budget med låg effekt."

Att tänja på gränserna

För närvarande, signalräckvidden är cirka 5 centimeter, som anses vara ett långt fält - och möjliggör bekväm användning av en bärbar etikettskanner. Nästa, forskarna hoppas kunna "tänja gränserna" för sortimentet ännu längre, säger Ibrahim. Så småningom, de vill att många av taggarna ska pinga en läsare placerad någonstans långt borta i, säga, ett mottagningsrum vid en kontrollpunkt för leveranskedjan. Många tillgångar kunde då snabbt verifieras.

"Vi tror att vi kan ha en läsare som ett centralt nav som inte behöver komma nära taggen, och alla dessa chips kan strålstyra sina signaler för att prata med den där läsaren, " säger Ibrahim.

Forskarna hoppas också kunna driva chippet fullt ut genom terahertz-signalerna själva, eliminerar behovet av fotodioder.

Chipsen är så små, enkelt att göra, och billiga att de också kan bäddas in i större datorchips av kisel, som är särskilt populära mål för förfalskning.

"Den amerikanska halvledarindustrin led 7-10 miljarder dollar i förluster årligen på grund av förfalskade chips, " säger Wasiq Khan. "Vårt chip kan sömlöst integreras i andra elektroniska chip av säkerhetsskäl, så det kan ha stor inverkan på industrin. Våra chips kostar några cent styck, men tekniken är ovärderlig, " skämtade han.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.