傳統(tǒng)IC技術(shù)的效能及功能落差 

　　當(dāng)臺(tái)灣“政府”發(fā)行的電子認(rèn)證文件采用傳統(tǒng)安全接觸式智能卡技術(shù)，許多新的應(yīng)用己實(shí)行整合接觸式智能卡及無(wú)線射頻認(rèn)證技術(shù)的雙接口或非接觸式智能IC。 
　 
　　顧名思義，接觸式智慧卡須實(shí)際將卡片閱讀機(jī)及智慧卡8接腳的接觸面相互接觸，以取得處理電源及系統(tǒng)間的溝通，而非接觸式智慧卡可經(jīng)由無(wú)線射頻訊號(hào)取得處理電源及系統(tǒng)間的溝通。為設(shè)計(jì)現(xiàn)有的安全電子護(hù)照，許多智能IC廠商在其現(xiàn)有的接觸式智慧IC中增加無(wú)線射頻模擬前端AFE電路，AFE同時(shí)為智能IC的電源來(lái)源及使用ISO/IEC 14443協(xié)議之無(wú)線射頻卡片閱讀機(jī)的溝通接口。因此現(xiàn)今的非接觸式智能IC，例如電子護(hù)照，皆基于舊式的技術(shù)架構(gòu)，其被動(dòng)電源管理及無(wú)線射頻傳遞速度皆未達(dá)原始設(shè)計(jì)的要求。　 

　　第一代的臺(tái)灣“政府”電子認(rèn)證應(yīng)用采用傳統(tǒng)智慧IC架構(gòu)，其書寫及讀取信息速度非常慢，且電源管理及訊息傳遞的無(wú)線射頻連結(jié)并非最佳的狀態(tài)，因而對(duì)認(rèn)證制造的產(chǎn)量與質(zhì)量，及讀取的效能皆產(chǎn)生負(fù)面的影響。相較之下，針對(duì)電子護(hù)照及其它電子“政府”認(rèn)證計(jì)劃而設(shè)計(jì)的全新非接觸式無(wú)線射頻芯片技術(shù)具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。此項(xiàng)新的技術(shù)將結(jié)合最新的微控制器及無(wú)線射頻優(yōu)勢(shì)并具有超低功耗、快速內(nèi)存及高安全性等特點(diǎn)。因此，新一代的智慧IC將會(huì)有更快的數(shù)據(jù)書寫及傳輸讀取時(shí)間，以縮短文件發(fā)行及個(gè)人化的時(shí)間，同時(shí)符合最新的安全性需求并促進(jìn)未來(lái)臺(tái)灣“政府”認(rèn)證的新應(yīng)用。  

EEPROM及閃存皆為廣泛使用但功能有限 

　　目前臺(tái)灣“政府”發(fā)行的電子認(rèn)證文件中主要的內(nèi)存技術(shù)為電氣可擦拭可規(guī)化式只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)，而因內(nèi)存型態(tài)有限，因此其效能及功能皆有限。閃存為EEPROM的變化體，可依內(nèi)存的區(qū)塊單位而非位單位去除及重新編程。 

　　如同F(xiàn)RAM，EEPROM及閃存皆為非揮發(fā)性內(nèi)存的技術(shù)，即關(guān)掉電源后數(shù)據(jù)不會(huì)被移除。而與FRAM不同，EEPROM及閃存采用浮動(dòng)式的閘極組件儲(chǔ)存設(shè)計(jì)法，以氧化絕緣體將電子帶到多晶硅浮動(dòng)式的閘極組件。為穩(wěn)定制造及儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，須有較多的氧化物 (80-100A) 及10-14伏特的高壓以嵌入電閘，　此外，須加上高價(jià)、高耗電、且需要較大面積的電路，如晶體管及電荷幫浦以于IC上制造高電壓。在傳統(tǒng)的接觸式智慧卡架構(gòu)電源是經(jīng)由硬式線圈接觸穩(wěn)定的供應(yīng)。而被動(dòng)式非接觸式智慧IC的電源較為微弱，且經(jīng)由無(wú)線射頻訊號(hào)產(chǎn)生。采用浮動(dòng)閘極組件的EEPROM及閃存技術(shù)的被動(dòng)式非接觸式IC有較長(zhǎng)的傳輸時(shí)間已寫入數(shù)據(jù)。在支持被動(dòng)式無(wú)線射頻技術(shù)的有限電量時(shí)，具有較高電源效率的內(nèi)存技術(shù)可縮短傳輸時(shí)間。
　 
　　另一項(xiàng)所有高電壓傳統(tǒng)晶體管的限制為不易達(dá)到較小的芯片制程技術(shù)，也稱為制程節(jié)點(diǎn)。制造IC的動(dòng)力是最小化，而縮短制程節(jié)點(diǎn)可產(chǎn)生更快的運(yùn)算法并降低耗電量。EEPROM及閃存需要特殊設(shè)計(jì)的高電壓晶體管，故難以縮小尺寸，且無(wú)法采用較小的芯片制程技術(shù)?！?nbsp;

　　利用浮動(dòng)式的閘極組件將數(shù)據(jù)寫入EEPROM及閃存的程序編寫法，會(huì)限制智慧IC書寫循環(huán)的極限。未來(lái)臺(tái)灣“政府”認(rèn)證應(yīng)用會(huì)配合業(yè)界的數(shù)據(jù)書寫，而需要超出EEPROM及閃存的支持極限的大量書寫循環(huán)?！?
 
　　談及數(shù)據(jù)安全性，EEPROM及閃存易于被侵入。EEPROM的弱點(diǎn)之一為其靜止模式 (浮動(dòng)式的閘極組件無(wú)電源流入或流出)，在此狀態(tài)可使用微測(cè)儀掃描內(nèi)存的浮動(dòng)式閘極組件。若有人實(shí)際接近，更可測(cè)量出電場(chǎng)并判斷數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的位置，進(jìn)而透露具敏感性的數(shù)據(jù)、加密金鑰、特權(quán)及存取的權(quán)力。　 

進(jìn)階的FRAM: 臺(tái)灣“政府”認(rèn)證的特性及優(yōu)點(diǎn) 

　　FRAM為一非揮發(fā)性的內(nèi)存，如EEPROM，然而其僅有此一相似點(diǎn)?！RAM使用微小的鐵晶體管并且整合于電容。雖然ferro代表鐵，但 FRAM并未包含鐵，因此鐵晶體管不具電場(chǎng)傳導(dǎo)性，因此不具磁鐵的相斥性。FRAM與EEPROM及閃存復(fù)雜的閘極組件儲(chǔ)存方式不同，是經(jīng)由鐵晶體管自發(fā)性的穩(wěn)定雙極儲(chǔ)存，實(shí)際上，鐵晶體管中的雙極原子皆有正極或負(fù)極。(請(qǐng)參閱圖1) 

圖1、鐵晶體管中的雙極原子皆有正極或負(fù)極 

　　如圖2所標(biāo)示，F(xiàn)RAM的記憶格包含由電路板線及位線連接的鐵電電容。在鐵晶體管中的雙極形成電容材料可經(jīng)由外部電壓跨越任一條線加以設(shè)定或逆轉(zhuǎn)。 

圖2、FRAM的記憶格包含由電路板線及位線連接的鐵電電容 

　　為存取已儲(chǔ)存于FRAM記憶格中的數(shù)據(jù)，電路板在線設(shè)有低電壓，若電壓造成電容中的雙極輕彈，則位在線將大量釋放感應(yīng)電荷(Q)，如圖3所示。 

圖3、電壓造成電容中的雙極輕彈，位在線將大量釋放感應(yīng)電荷 

　　當(dāng)電路板在線具有低電壓，而雙極的方向不變，位在線將產(chǎn)生小量的感應(yīng)電荷(Q)，如圖4所示。 

圖4、位在線將產(chǎn)生小量的感應(yīng)電荷 

　　因此，F(xiàn)RAM的0或1位皆依照位在線感應(yīng)電荷(Q)的大小決定，如圖5所示。 

圖5、位在線的感應(yīng)放大器偵測(cè)到感應(yīng)電荷的大小，并決定于記憶格設(shè)定相關(guān)的位。 

　　為重新寫入新的數(shù)據(jù)于FRAM的記憶格中， 雙極可很容易經(jīng)由位線或電路板在線的電壓而產(chǎn)生正極或負(fù)極。雙極輕彈產(chǎn)生非常迅速，于十億分之一秒內(nèi)，因此可快速地存取內(nèi)存數(shù)據(jù)。 FRAM的記憶格易于快速地建立數(shù)據(jù)，顯示出不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的EEPROM及快閃記憶的浮動(dòng)閘技術(shù)， 即可以鐵晶體管完成。　 

　　雙極快速改變方向，因此寫入FRAM組件的時(shí)間比寫入EEPROM及閃存更短。 寫入鐵電記憶格的時(shí)間可短于十億分之50秒 ，而EEPROM及閃存則需時(shí)百萬(wàn)分之一秒或千分之一秒， 使得FRAM的速度較傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)速度快1,000 至10,000倍。當(dāng)鐵電呈正極或負(fù)極狀態(tài)時(shí)，即使電場(chǎng)被移除仍然呈靜止?fàn)顟B(tài)， 代表其FRAM具有較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)保留時(shí)間。即使在高溫下(攝氏85度) ， FRAM仍可將保存資料長(zhǎng)逾十年， 且FRAM可存取超過(guò)100兆次，或無(wú)限次?！?
 
　　雙極的轉(zhuǎn)換不需高頻電場(chǎng)，因此， FRAM可以僅1.5伏特的低電壓讀寫數(shù)據(jù)。低電壓即低電源同時(shí)具有其它優(yōu)勢(shì)。首先，不需使用高電壓的晶體管，例如，電荷幫浦使電壓升高。第二，因只需較低的電源，F(xiàn)RAM所需的電壓可于寫入循環(huán)前，由前端裝載，以避免于寫入時(shí)因從無(wú)線射頻電源中移除智慧IC，而僅寫入部份數(shù)據(jù)，EEPROM及閃存較易產(chǎn)生數(shù)據(jù)中斷，因此，采用嵌入式FRAM的智能IC的低電壓及耗電量可加強(qiáng)數(shù)據(jù)的完整性且改善使用者經(jīng)驗(yàn)。
 
　　FRAM的其它優(yōu)點(diǎn)包含預(yù)防如上文所述的數(shù)據(jù)安全探測(cè)器的直接侵入及輻射硬度。為防止炭疽病毒的威脅，某些美國(guó)郵政固定使用Gamma輻射，而相較于傳統(tǒng)的非揮發(fā)性內(nèi)存，F(xiàn)RAM對(duì)于Gamma輻射較不具敏感性，因此運(yùn)送含有FRAM的電子文件如電子護(hù)照時(shí)，并不需要特別的處理方式。　 

FRAM與130奈米芯片制程節(jié)點(diǎn)  

　　制程為制造芯片的特定方式，以一公尺的十億分之一，即奈米測(cè)量芯片內(nèi)建置架構(gòu)的組件尺寸。用以比較人類頭發(fā)的直徑為一公尺的80-180百萬(wàn)分之一。而130奈米制程科技或節(jié)點(diǎn)指該芯片具有130奈米或0.13μm的尺寸?！?nbsp;

　　與一般用于制造智能IC的180奈米制程節(jié)點(diǎn)相比，以130奈米制程節(jié)點(diǎn)制造的芯片，每單位面積可放置兩倍的晶體管。以130奈米制程制造FRAM ，可較傳統(tǒng)的嵌入式內(nèi)存技術(shù)法放置更多的內(nèi)存于更小的IC上，且所需的功耗也較低。表1比較以130奈米制造的嵌入式FRAM與傳統(tǒng)嵌入式的非揮發(fā)性內(nèi)存技術(shù)制造的EEPROM及閃存的被動(dòng)組件。 

 

表1、非揮發(fā)性內(nèi)存的比較   

　　使用FRAM設(shè)計(jì)IC更有效率，因?yàn)樵O(shè)計(jì)高電壓的組件的額外步驟已不存在。將EEPROM或閃存整合至芯片中須有額外的制程步驟 及5到8個(gè)附加壓印顯微術(shù)步驟，而130奈米制造的嵌入式FRAM僅需兩項(xiàng)額外的部份。 

　　FRAM具有更快的存取時(shí)間，較低功耗，較小記憶格，極有效率的制程， 適合新一代的非接觸式智慧IC。 

臺(tái)灣“政府”認(rèn)證生產(chǎn)程序 

　　臺(tái)灣“政府”發(fā)行電子認(rèn)證文件將生產(chǎn)程序復(fù)雜化，因臺(tái)灣“政府”的電子認(rèn)證文件不僅須將電子組件整合到文件中，更要將數(shù)據(jù)寫入智能IC。主要的寫入程序有兩項(xiàng)：預(yù)先個(gè)人化及個(gè)人化。預(yù)先個(gè)人化為操作系統(tǒng)及電路版內(nèi)存為特定應(yīng)用格式化，類似計(jì)算機(jī)磁盤格式化的過(guò)程。一般制造政府的電子認(rèn)證文件，如電子護(hù)照的過(guò)程 ，為使用非接觸式寫入格式化的信息進(jìn)行事先的個(gè)人化步驟，且為求效率以大量寫入事先個(gè)人化的數(shù)據(jù)到芯片中。緩慢的寫入時(shí)間及芯片的效能將影響芯片格式化的結(jié)果，若智能型IC不適當(dāng)?shù)母袷交?，將無(wú)法繼續(xù)完成。 

　　較差的無(wú)線射頻芯片敏感度也可能在生產(chǎn)過(guò)程中造成認(rèn)證的制造問(wèn)題，較低敏感度的芯片在卡片閱讀機(jī)與芯片間的無(wú)線射頻訊號(hào)微弱時(shí)或暫時(shí)被外界影響時(shí)效能不彰。芯片不當(dāng)?shù)念A(yù)先個(gè)人化對(duì)生產(chǎn)成本影響甚巨，因?yàn)橛行┊a(chǎn)品必須于制造過(guò)程中被銷毀。一旦文件皆被加載、格式化且個(gè)別認(rèn)證制造，即開始芯片個(gè)人化。電子認(rèn)證文件持有人的個(gè)人數(shù)據(jù)將在在個(gè)人化的過(guò)程中加載智慧IC中。 

　　若于預(yù)先個(gè)人化及個(gè)人化的過(guò)程中使用EEPROM及閃存，將減緩電子文件生產(chǎn)過(guò)程，而使用嵌入式FRAM的智能IC可縮減產(chǎn)出時(shí)間。具有無(wú)線射頻敏感度及快速內(nèi)存的書寫速度的智能型IC，如采用FRAM的相關(guān)應(yīng)用，將影響電子政府發(fā)行的電子認(rèn)證產(chǎn)出的時(shí)間，成本及質(zhì)量。
 
讀取掌控及安全性 

　　臺(tái)灣“政府”發(fā)行的電子認(rèn)證基于較高的安全性壓力而有更嚴(yán)苛的需求。雖然自2006年開始臺(tái)灣“政府”即大規(guī)模發(fā)行電子護(hù)照，安全性的準(zhǔn)備已經(jīng)完成，但為了配合達(dá)到高度安全性，使用于該認(rèn)證的智能型IC必須能夠儲(chǔ)存更多數(shù)據(jù)、并且有更快的傳輸速度以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。 

電子護(hù)照的BAC與EAC 

　　以無(wú)線射頻為基礎(chǔ)的非接觸式智慧卡有許多安全性特色，其中之一是基于ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)在芯片與無(wú)線射頻卡片閱讀機(jī)短距離內(nèi)10公分(4英尺)讀取數(shù)據(jù)。目前的電子護(hù)照皆具有基本存取控制BAC安全性，這是由ICAO設(shè)立的標(biāo)準(zhǔn)。儲(chǔ)存在具有BAC安全性電子護(hù)照芯片上的數(shù)據(jù)就如同打印的數(shù)據(jù)和數(shù)字照片。BAC基本存取控制要求機(jī)器可讀取的區(qū)域必須先透過(guò)卡片閱讀機(jī)讀取以進(jìn)行譯碼，當(dāng)芯片譯碼后，護(hù)照號(hào)碼、個(gè)人的身份和數(shù)字照片將透過(guò)加密傳輸成功傳送到卡片閱讀機(jī)。BAC可用于降低信息在芯片及卡片閱讀機(jī)之間流通的風(fēng)險(xiǎn)，及由護(hù)照持有人處取得信息的風(fēng)險(xiǎn)。 

　　提高電子護(hù)照的安全性是為了確認(rèn)護(hù)照持有人即合法持有人，且必須將除了照片之外的敏感性信息加入芯片中(如指紋或虹膜)。ICAO建議采用延伸存取控制EAC以保護(hù)指紋或生物辨識(shí)數(shù)據(jù)，如虹膜信息。歐盟規(guī)范EC2252/2004要求于2009年6月起將指紋數(shù)據(jù)加入電子護(hù)照中。 

　　EAC的效果優(yōu)于BAC，且具有智能IC授權(quán)及終端機(jī)授權(quán)，智能IC授權(quán)可以避免復(fù)制電子護(hù)照，終端機(jī)授權(quán)則可確保卡片閱讀機(jī)為合法的卡片閱讀機(jī)，且避免電子護(hù)照的芯片將信息傳輸至未經(jīng)授權(quán)的卡片閱讀機(jī)。 

BAC及EAC對(duì)內(nèi)存的影響，處理速度及安全性 

　　為支持第二代生物信息架構(gòu)， EAC對(duì)于智能IC的要求較高，必須增加內(nèi)存功能，具有更快的處理速度及更高度的安全性。目前大部份使用BAC的電子護(hù)照解決方案僅需32KB內(nèi)存，但EAC需要至少125KB(5KB使用于機(jī)器讀取區(qū)域及其它基本數(shù)據(jù)， 20KB使用于臉部影像，10KB于指紋影像) 。EAC需求的數(shù)據(jù)量將影響電子護(hù)照個(gè)人化的產(chǎn)出，使用EEPROM及閃存將增加EAC 個(gè)人化的時(shí)間，閃存需要為2 筆指紋寫入兩倍的資料量 (由25KB增至45KB) 。首次寫入數(shù)據(jù)后，芯片必須被讀取以辨識(shí)數(shù)據(jù)，而這將增加產(chǎn)出時(shí)間。當(dāng)認(rèn)證數(shù)據(jù)讀取的時(shí)間增為兩倍，海關(guān)查驗(yàn)的時(shí)間也將增加。 

新的臺(tái)灣“政府”認(rèn)證應(yīng)用需要先進(jìn)的智慧IC 

　　新的臺(tái)灣“政府”認(rèn)證應(yīng)用包含新一代的電子護(hù)照及多功能身分證，需要有更強(qiáng)大及有效率的智能IC以改進(jìn)內(nèi)存功能及提供更快的數(shù)據(jù)存取速度，第一代的電子護(hù)照整合了紙本文件。而未來(lái)版本的快速讀寫時(shí)間及更強(qiáng)大的內(nèi)存可以更有效率地附加額外功能，例如出入口信息，電子簽證，而這些數(shù)據(jù)都可以經(jīng)由IC寫入。電子數(shù)據(jù)有助于邊防的安全，并可檢視已過(guò)期的歷史資料，檢視這個(gè)出入境者曾經(jīng)造訪的地點(diǎn)、或護(hù)照是否過(guò)期。檢驗(yàn)者不需查閱出入境紙本數(shù)據(jù)或取這些額外信息，因此不需延緩流程。電子護(hù)照的數(shù)據(jù)具安全性，且較人工蓋章安全，更重要的是，不會(huì)影響邊防檢驗(yàn)工作。
 
　　身分證及臺(tái)灣“政府”認(rèn)證可以具有多重應(yīng)用，若要將新功能加入已發(fā)行的認(rèn)證必須寫入新數(shù)據(jù)，例如“健保局”發(fā)行非接觸式的智能IC卡，且“老人年金局”希望使用同一張卡，則老人年金單位必須將數(shù)據(jù)寫入同一張IC卡。為了避免冗長(zhǎng)的等待上傳時(shí)間，智能型IC必須要具備更快速的寫入速度，以縮短處理時(shí)間。若該應(yīng)用可于終端機(jī)信息服務(wù)平臺(tái)自動(dòng)寫入或移除數(shù)據(jù)，則處理速度較快的芯片可減少等待時(shí)間。 

　　“國(guó)家安全局元首指揮處”(HSPD) -12及聯(lián)邦信息處理中心 (FIPS) 201為需要新一代智慧IC的例子。DOD已經(jīng)發(fā)行FIPS 201-1身分認(rèn)證卡(PIV)， 其它的聯(lián)邦單位亦開始使用新的規(guī)范。為了增強(qiáng)安全性 ，減少認(rèn)證錯(cuò)誤并保護(hù)隱私， HSPD-12制定了臺(tái)灣“政府”標(biāo)準(zhǔn)以保護(hù)員工及雇員，該身分證具有多重功能實(shí)質(zhì)上及邏輯上的存取掌控，但由于其為接觸式的設(shè)計(jì) ，并無(wú)法由無(wú)線射頻溝通傳輸生物性的數(shù)據(jù) 。更有效率的智慧IC能夠處理更高的安全性，由非接觸性的生物信息傳輸可以更快速的進(jìn)行個(gè)人化及發(fā)行卡片，此外，使用電子護(hù)照亦可以新的快速智能IC整合各地的簽章。 

后記：  

　　TI正針對(duì)臺(tái)灣“政府”電子認(rèn)證研發(fā)新一代的智慧IC平臺(tái)，將采用FRAM的先進(jìn)內(nèi)存技術(shù)及優(yōu)良的130奈米制程。2003年起，TI以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS制程，生產(chǎn)了數(shù)百萬(wàn)顆130奈米制程的產(chǎn)品。采用130奈米技術(shù)，TI縮小芯片尺寸，較其它無(wú)線射頻非接觸式芯片的180-220奈米產(chǎn)品小。TI的優(yōu)點(diǎn)為小尺寸、低成本、低耗電量。透過(guò)130奈米技術(shù)，TI將以CMOS制程制造FRAM，以持續(xù)提供最新產(chǎn)品。  

　　TI的智能IC平臺(tái)可以加快數(shù)據(jù)寫入與讀取時(shí)間。透過(guò)這個(gè)產(chǎn)品，臺(tái)灣“政府”發(fā)行的認(rèn)證可以加速生產(chǎn)、個(gè)人化時(shí)間，并加速處理速度、降低周期成本。TI將推出符合安全性 加密績(jī)效的智能IC產(chǎn)品，并將可支持未來(lái)臺(tái)灣“政府”認(rèn)證的新功能，如多功能電子文件或數(shù)據(jù)書寫功能，包含出入口的信息及電子簽證 。