集成电路设计课件：3 RFID智能卡芯片原理与设计

1、RFID智能卡芯片原理与设计高安全领域低成本领域射频识别技术（RFID）丰富的应用金融身份认证物流商品流通交通医疗教育行李包裹防伪溯源12IBM RFID芯片广告3RFID基本原理RFID基本原理TAGTAGTAG4RFID频段划分智能卡工作频率5RFID标准6高频RFID标签芯片理论基础7高频RFID标签芯片成本分析结论：单颗芯片总面积越小，价格越低。设计目标：满足设计需求前提下，尽最大可能降低电路面积。成本计算公式：8英寸wafer举例说明：假设芯片面积Area=2mm*1.5mm，一片8英寸的wafer可制造出10132颗芯片假设芯片良率y=95%，那么良好的芯片就有9625颗假设一片w

2、afer价格为6000元人民币，那么单颗芯片制造成本约为0.63元如果芯片设计的不好，面积上升到Area=2mm*2mm，一片wafer只能制造出7892颗芯片假设芯片良率y=95%，那么良好的芯片就只有7497颗，此时单颗芯片制造成本约为0.8元1000万颗芯片多增加1000（0.8-0.63）=170万元的成本8高频RFID标签芯片功耗分析结论：采用Smic 0.18um/0.13um工艺，漏电流可忽略。设计目标：尽最大可能降低开关功耗。功耗计算公式：功耗模型门控时钟操作数隔离低电压设计9高频RFID标签芯片结构101 射频模拟电路11天线接口天线PAD12天线接口Q值和谐振频率Q值负载电

3、流I结论： Q值对提高带负载能力贡献不大，谐振频率则可显著提高负载能力。设计目标：Q值应尽量小，增加带宽；谐振频率可适当提高到14.5MHZ。握奇NFC明华CM500ZD谐振频率f(MHZ)13.612.512.51314.7Q值46336872140ISO 15693ISO 14443-AISO 14443-B12.5MHZ 16MHZ13整流整流电路：将天线上的交变电压转换成直流电压天线ant1为高时，ant2为低，MN1和MN4打开天线ant1为低时，ant2为高，MN2和MN3打开为什么要整流？天线接口耦合过来的电压信号是交流信号，而芯片内部只能处理直流信号传统的二极管整流不能直接应用

4、于芯片14限幅为什么要限幅？天线接口耦合过来的电压幅值可能高达十几伏甚至上百伏，可能击穿内部电路15ESDPAD前级驱动后级驱动SMIC 标准IO，静电保护能力2KV国家标准4KV面积大、静电保护能力弱4.5KV ESD保护电路可重复利用于：整流和限幅16LDO稳压为什么要LDO稳压？ASK解调期间出现2-3s的凹槽，无任何电源；大峰值数字电路工作期间电压不稳17LDO稳压为什么要LDO稳压？有了LDO稳压，凹槽期间、大峰值数字电路工作期间、负载调制期间，电压稳定18100%ASK解调 解调：恢复阅读器发送过来的调制信号 调制深度问题：为了使阅读器能够解调出标签发送的数据，标签天线上的调制深度

5、必须满足一定的要求，如果调制深度过深会导致时钟产生电路工作异常，时钟消失进而数据发送速率改变，高精度调制解调电路是保证智能RFID芯片进行正常数据通信的关键。 凹槽识别问题：在100% ASK解调过程中会出现凹槽，凹槽的存在使解码变得更加困难。如果凹槽不能准确识别或者识别率不高，则会造成解码失败，严重影响RFID的正常通信。19100%ASK解调106Kbit/s速度下100%ASK调制信号理论波形图20100%ASK解调 本文采用的简单包络检波法解调100% ASK调制信号,低通滤波电路如上图所示。该低通滤波器的时间常数选取必须遵循 100%ASK调制包络基本上相当于输入信号的全摆幅变化，高

6、低电压差较大，包络变化明显，可直接采用低通滤波器进行滤波，然后再对信号进行放大整形即可。电路设计21100%ASK解调理论波形图22负载调制为什么要负载调制？智能卡芯片处理完命令后，需要返回应答信号给阅读器，通过负载调制发送出去23负载调制24负载调制25时钟和上电复位信号为什么要时钟和复位？数字电路采用同步电路设计，需要时钟来同步；复位信号将电路置于初始状态26下电复位基于带隙基准源的下电复位电路为什么要下电复位？当芯片远离读写器时，场强随之减小，电压降低到工作范围外，产生不稳定状态272 数字电路28TypeA解码信号14443-A：改进型密勒编码10开始29TypeA解码信号才 在128

7、个时钟周期内，凹槽出现的位置不同将代表不同的改进型密勒编码信号。当凹槽出现的时候，时钟将消失，只有凹槽消失后时钟才会再出现。正常情况下，凹槽开始后以及结束之前，时钟是不存在的，但在实际电路中，凹槽开始后以及结束之前都会有残留的时钟，这些时钟的存在会引起错误的解码，因此必须将这些残留的时钟过滤掉，而在一般的同步电路中，是不能解决这些问题的。凹槽识别30TypeA解码信号所述第一级异步复位同步器，其主要用途是用来同步上电复位信号，采用异步复位同步释放的方法，使用两级采样电路。第二级信号同步器，其主要用途是用来同步异步输入信号din，采用改进后的两级采样方法，并展宽输入信号。信号同步TypeA解码信

8、号解码电路改进型密勒解码电路包括八位计数器，用于计算两个凹槽期间出现的时钟数；解码状态机，用于控制解码过程中的信号状态转换；B状态脉冲产生，能够将无凹槽的编码信号用一个脉冲来表示，方便检测；数据检测，检测出8位计数器或B状态脉冲代表的编码信号；数据寄存，用于保存数据检测出来的当前信号和上一次检测信号；出错处理，用于处理数据检测和计数过程中出现的错误；串并转换，能够将解码出来的数据转换成九比特的输出；输出控制，能够输出接收结束信号、输出允许信号和输出比特数。TypeA解码信号解码方法10开始检测出下降沿，确定帧的开始时钟计数，确定速率大小及同步比特周期凹槽检测判断0比特判断1比特TypeA解码信

9、号解码方法判断起始位 寄存解码结果 判断结束位短帧解码REQA寻卡命令WUPA唤醒命令标准帧格式解码判断起始位 寄存解码结果 寄存奇偶标志 寄存解码结果 判断结束位3334TypeB解码信号14443-B协议帧的开始SOF一个下降沿10个比特连01个上升沿2-3比特逻辑1后续发送帧格式35TypeB解码信号14443-B协议帧格式起始位：用逻辑0表示8比特数据位，最低有效位LSB优先发送结束位：用逻辑1表示36TypeB解码信号14443-B协议帧结束一个下降沿10个比特连01个上升沿TypeB解码信号解码方法检测出下降沿时钟计数检测出上升沿 2比特高电平在比特中间产生正脉冲，判断是否起始位寄

10、存解码结果判断帧是否结束检测出下降沿时钟计数检测出上升沿37TypeB解码信号解码电路可以保证NRZ编码的稳定接收，可避免信号边沿误触发毛刺带来的接收问题，采用的计数值配置方法使得4种通信速率均采用一个电路实现，大幅度节省功耗和面积。解码电路38TypeA编码信号39TypeA在106K速率下采用曼彻斯特编码每一位的中间有一个跳变。位中间的跳变既作为时钟，又作为数据：从高到低的跳变表示1，从低到高的跳变表示0.曼彻斯特码也是一种归零码。曼彻斯特编码编码采用副载波：频率为fc/168个时钟周期TypeA编码信号40TypeA在212/424/848K速率下采用NRZ-L非归零编码32个副载波反相

11、，逻辑0相位与逻辑1相位相同212/424/848K速率下1个比特周期共有4/2/1个副载波互相反相互相反相互相反相反相，逻辑0相位反相，逻辑0相位TypeB编码信号41阅读器与标签之间编码的时序关系帧格式TypeB编码信号4214443-B协议帧的开始SOF14443-B协议帧结束TypeB编码信号43TypeB所有速率均采用NRZ-L非归零编码64个时钟内无调制106/212/424/848K速率下1个比特周期共有8/4/2/1个副载波80个副载波时钟定义逻辑1相位互相反相TR0TR144CRC循环冗余校验可靠性快速性可靠性快速性在数字通信系统中可靠与快速往往是矛盾的。如何合理地解决可靠与

12、速度这一对矛盾呢？ CRC产生背景45CRC循环冗余校验CRC的主要特点检错能力极强开销很小易于实现应用范围广46CRC循环冗余校验发送方接收方设 xr M(x) 除以 G(x) 的商和余数分别为 Q(x) 和 R(x)。则有: xrM(x) = G(x) Q(x) + R(x)即：接收方收到带CRC校验和的帧多项式T(x) = xr M(x) + R(x)。由于模2加减相当于异或运算,于是接收方模2除后商Q(x),余数0.得证！47CRC循环冗余校验（1）发送数据110011；（2）生成多项式G(x)= x4 + x3 + 1；（3）将要发送的数据系列左移4位，新的序列为 110011000

13、0；（4）按模2算法，将生成的新序列除以生成多项式序列；（5）将余数多项式比特序列加到新的序列中即得发送端传送序列。下面。 1 0 0 0 0 11 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 01 0 0 1 1 1 0 0 1 1100111001举例48CRC循环冗余校验CRC-12 ：x12+x11+x3+x2 +x+1CRC-32 ：x32+x26+x23+x22+x16+x12CRC-8 : x8+x2+x+1CRC-10 : x10+x9+x5+x4+x2+1CRC-16 ：x16+x15+x2+1+ x11+x10+x8+x7+

14、x5+ x4+ x2+x+1CRC-CCITT ：x16+x12+x5+1生成多项式 G(x) 的国际标准49CRC循环冗余校验CRC循环冗余校验编码对标准帧的数据进行校验CRC字节14443协议关于CRC定义50CRC循环冗余校验CRC循环冗余校验编码电路G(X)51防冲突解决无源标签芯片识别率问题当有多个电子标签进入一个或多个阅读器的感应区域的时候，阅读器与多个电子标签的同时通信会使得无线通信信号相互干扰，以致阅读器无法接收到正确的信息，这种情况叫冲突。为了避免冲突的影响，RFID系统定义了一系列当冲突发生时的操作，以实现选择性地对单个电子标签进行操作，基于这些操作的方法被称为防冲突算法（

15、Anticollision algorithms）。TAGTAGTAG52防冲突53防冲突548051处理器55COS操作系统为什么要COS？提供底层硬件接口，使得上层应用程序能够调用；COS管理芯片内部所有应用56COS操作系统COS573 片上安全58解决无源标签芯片安全问题非接触式RFID芯片内部是无源的，在实现高安全的同时要考虑低功耗策略。另外，芯片要拥有低成本的优势，就要采取面积优化策略。因此，在RFID标签芯片上集成安全模块的时候就要平衡芯片面积、功耗和安全性三者之间的关系，既要实现RFID的基本功能，实现小面积以及低功耗，还要在这基础上实现高安全，这就对设计者提出了巨大的挑战。5

16、9Mifare卡破解60Mifare卡破解61RFID片上安全问题设计出一模一样的芯片相同的命令、功能、协议ICODE2存储卡的破解62RFID片上安全问题Zdmicros RFID memory card, compliant with ICODE2:ISO/IEC1569313.56MHz1/256 or 1/4 codingCRCAnti-collisionSupport AFISupport DSFIDSupport EAS64bit UID1Kbit EEPROM存储卡的破解63RFID片上安全问题To hack the chip, Nohl and Plotz reverse-en

17、gineered the cryptography on the MiFare chip through a painstaking process.Henryk Plotz, a German researcher, and Karsten Nohl, a doctoral candidate in computer science at the University of Virginia逻辑加密卡的破解64RFID片上安全问题Side channel attack:SPADPACPAEMA智能卡的破解65RFID片上安全问题Equipment used for contact smart

18、 card智能卡的破解66RFID片上安全问题智能卡的破解For contactless smart cardA famous side channel attack equipment: SASEBODESIGNED BY JAPAN67安全认证系统加密算法认证协议 基于认证协议和加密技术的安全机制被认为是安全性较高并容易实现的一种方案，设计者可以灵活采用各种认证协议和加密算法。本文提出了一种智能RFID安全认证系统，采用相互认证机制确保芯片的安全性，引入了随机密钥的加密方法。整个安全认证系统硬件设计在0.18um工艺下成功流片，样片测试结果显示功耗、面积，得到最优化的结果，安全认证的硬件面

19、积低于0.1mm2，功耗10uA。如何增强RFID片上安全？68RFID片上安全相互认证机制ISO/IEC 9798-2协议中的三重相互认证内部认证流程69RFID片上安全安全算法安全算法安全算法对称加密算法：DES/AES非对称加密算法：RSA/ECC国密算法：SM1/SM2/SM3/SM4/SM5/SM7/SSF33逻辑解密算法：CRYPTO1、流加密70RFID片上安全安全攻击安全攻击侧信道攻击算法功耗攻击算法：SPA/DPA及高阶算法电磁辐射攻击：EMA安全传感器：电压、频率、光照、温度激光错误注入探针攻击存储加密、总线加密71RFID片上安全安全算法：DES3DES硬件协处理器关键电

20、路数据通路DES数据加密流程72RFID片上安全安全算法：DES各个模块面积和功耗值功能模块面积(um2)所占总面积比例功耗（uw）所占总面积比例总电路27500100%2.21100%des31842967%1.6976.5sbox 111784.3%0.06442.9sbox210373.8%0.05962.7sbox310974.0%0.06202.8sbox411244.1%0.06162.8sbox511444.1%0.06593.0sbox611974.4%0.06833.1sbox711074.0%0.06382.9sbox811874.3%0.07253.3不同算法硬件实现代价

21、DES算法硬件比较结果73RFID片上安全随机数产生器基于电容反馈和环形振荡器的真随机数产生电路亚稳态原理74RFID片上安全随机数产生器环形振荡器输出频率q0q1q2q3频率f（MHZ）工艺：ss-25C频率f（MHZ）工艺：ff85C11115.784.5811108.066.6711016.765.4110010.28.610116.214.9101097.510017.355.91100011.610.701116.024.7801108.627.0901016.95.65010010.99.3400116.495.1500109.058.200018.86.25000012.6911

22、.2875RFID片上安全随机数产生器随机源硬件测试平台示意图随机数仿真波形随机源硬件测试平台及相应芯片76RFID片上安全随机数产生器随机性检测标准测试结果NO.随机性测试项目P-value结果1Frequency0.376696PASS2BlockFrequency0.803761PASS3Runs0.498544PASS4LongestRunOfOnes0.368223PASS5Rank0.334449PASS6DiscreteFourierTransform0.317188PASS7NonOverlappingTemplateMatchings0.461849PASS8Overlapp

23、ingTemplateMatchings0.683080PASS9Universal0.048996PASS10LempelZivCompression0.061457PASS11LinearComplexity0.104989PASS12Serial0.327178PASS13ApproximateEntropy0.068039PASS14CumulativeSums0.364936PASS15RandomExcursions0.862087PASS16RandomExcursionsVariant0.482825PASS77RFID片上安全安全算法RSA现有RSA电路功耗5-10mA运行R

24、SA时芯片读写距离短78RFID片上安全安全算法RSARSA加解密操作：C=Me mod n79RFID片上安全安全算法RSA时间复杂度就为O(2s2)时间复杂度就为O(s2)80RFID片上安全安全算法RSARSA硬件协处理器架构814 可靠性82可靠性芯片存在掉电可能慢速下电电压波形快速下电电压波形83可靠性一旦掉电，内部数据可能写错84可靠性下电复位85可靠性下电复位基于反相器阈值的下电复位信号实测波形图（1001）样片实测（基于反相器阈值电压下电复位电路）基于带隙基准源的下电复位信号实测波形图cfg_pdf3:0最低电压（V）最高电压（V）样片实测值01011.611.941.71V0

25、1101.672.001.77V10011.541.871.64V10101.591.921.68V10111.281.611.39V01111.321.651.49V快速下电1.64V快速下电1.61V慢速下电1.65V慢速下电1.61V86可靠性防拔插87可靠性防拔插测试885 芯片设计RFID标签芯片设计模拟电路设计流程流程算法设计（Algorithm Optimization）RTL设计（RTL Design）综合（Synthesis）后端设计（Back-end Design）版图后仿真（Post-layout Simulation）测试（Test）需求分析（Requirement）结

26、构设计(Architecture Exploration)RTL验证（RTL Verification）门级验证（Gate-level Verification）电路参数提取（Circuit Extraction）制造（Manufacture）数据形式与工具Matlab，C/C+SC/SV/C/C+VHDL，VerilogSystemVerilog综合数据库SystemVerilog后端数据库SystemVerilogCadence SPWSynopsys CoCentric文本编辑器Synopsys Leda/Atrenta SpyGlassVCS/VSS/NC/QuestasimSynop

27、sys DC、PTCadence PKS/BuildGatesMAGMA Blast RTLVCS/VSS、NC、QuestaSimSynopsys Astro、ICCHercules，JupiterdpStar-RCxt，PrimePower/power compilerPT、formality，LEC逻辑物理RFID标签芯片设计数字电路设计流程如何处理数模混合电路？模拟电路数字电路存储电路COS操作系统RFID标签芯片设计RFID标签芯片设计 32KB ROMSRAMMOS管电容数字电路，包括3DES/RNG天线PAD模拟电路8KB EEPROM芯片面积：2*1.5mm2功耗：1mA频率：

28、13.56MHZ安全：3DES/RNG 唯一UID COS安全机制片上安全：高安全算法：DES/3DES/RSA/ECC/SM系列高安全防护：侧信道攻击（DPA/SPA/EMA） 激光错误注入 探针攻击 存储器加密 温度/频率/电压传感器芯片最终版图93相关研究成果：(1), 非接触IC卡芯片；(2), IC卡芯片内的COS操作系统；(3), IC卡测试验证平台；(4), 指纹电路模块；(5),双界面IC卡芯片；(6), RFID标签芯片及天线封装。(1)(2)(3)(4)(5)(6)RFID标签芯片设计945 芯片制造95RFID标签芯片制造96RFID标签芯片制造多项目晶圆MPW（multi-project wafer)技术服务是一种国际科研和大学计划的流行方式。MPW技术把几到几十种工艺上兼容的芯片拼装到一个宏芯片（Macro-Chip）上然后以步进的方式排列到一到多个晶圆上，制版和硅片加工费用由几十种芯片分担，极大地降低芯片研