Forscher bauen winzige Authentifizierungs-ID-Tags

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben ein winziges kryptografisches ID-Tag erfunden, das auf fast jedes Produkt passt, um die Authentizität zu überprüfen. Dazu gehört die Integration in größere Siliziumchips. Der millimetergroße ID-Chip integriert einen kryptografischen Prozessor, ein Antennenarray und Fotodioden für die Stromversorgung.

Fälschungen sind ein riesiges Problem. Die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung schätzt, dass im Jahr 2020 weltweit gefälschte Waren im Wert von etwa 2 Billionen US-Dollar verkauft werden, so ein Bericht aus dem Jahr 2018, und die Semiconductor Industry Association hat die jährlichen Verluste der US-Halbleiterindustrie auf etwa 7,5 Milliarden US-Dollar geschätzt.

„Die US-Halbleiterindustrie erlitt durch gefälschte Chips jährlich Verluste in Höhe von 7 bis 10 Milliarden US-Dollar“, sagte Muhammad Ibrahim Wasiq Khan, MIT-Absolvent und Teamforscher, in einer Erklärung. „Unser Chip kann aus Sicherheitsgründen nahtlos in andere elektronische Chips integriert werden, sodass er enorme Auswirkungen auf die Industrie haben könnte. Unsere Chips kosten jeweils ein paar Cent, aber die Technologie ist unbezahlbar.“

Forscher sagten, dass das neue ID-Tag viele der Herausforderungen löst, die mit heutigen drahtlosen ID-Tags zur Authentifizierung verbunden sind, einschließlich Größe, Kosten, Stromverbrauch und Sicherheitsabwägungen. Zu den genannten Beispielen gehören RFID-Tags (Radio Frequency Identification), die zu groß sind, um auf kleine Produkte wie medizinische und industrielle Komponenten, Automobilteile oder Siliziumchips mit begrenzten Sicherheitsmaßnahmen zu passen. Auch wenn die Tags Verschlüsselungsschemata bereitstellen, sind sie groß und energiehungrig, sagte MIT.

Der millimetergroße ID-Chip integriert einen kryptografischen Prozessor, ein Antennenarray und Photovoltaikdioden für die Stromversorgung. (Bild:mit freundlicher Genehmigung von MIT-Forschern, herausgegeben von MIT News)

MIT-Forscher beschreiben ihren ID-Chip als „Tag von allem“, der viele der Herausforderungen löst, die bei den heutigen drahtlosen ID- und RFID-Tags auftreten. In einem kürzlich auf einer IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) veröffentlichten Papier sagten die Forscher, dass der ID-Chip mit einer geringen Leistung von Photovoltaik-Dioden betrieben wird.

Ein weiteres interessantes Merkmal ist, dass der ID-Chip dank einer stromlosen „Backscatter“-Technik, die mit einer „hundertmal höheren Frequenz als RFIDs“ arbeitet, Daten auf weite Entfernungen überträgt. Darüber hinaus verwendet der Chip Algorithmusoptimierungstechniken, um ein beliebtes Kryptographieschema auszuführen, das sichere Kommunikation mit extrem niedrigem Energieverbrauch ermöglicht, so die Forscher.

„Wenn ich die Logistik beispielsweise eines einzelnen Bolzens oder Zahnimplantats oder Siliziumchips verfolgen möchte, ermöglichen die aktuellen RFID-Tags dies nicht“, sagte Mitautor Ruonan Han, außerordentlicher Professor am Institut für Elektrotechnik und Computer Wissenschaft und Leiter der Terahertz Integrated Electronics Group in den Microsystems Technology Laboratories (MTL), in einer Stellungnahme. „Wir haben einen kostengünstigen, winzigen Chip ohne Verpackung, Batterien oder andere externe Komponenten gebaut, der sensible Daten speichert und überträgt.“

Zu den Co-Autoren gehören die Doktoranden Mohamed I. Ibrahim und Muhammad Ibrahim Wasiq Khan; ehemalige Doktorandin Chiraag S. Juvekar; ehemaliger Postdoc-Mitarbeiter Wanyeong Jung; ehemalige Postdoc Rabia Tugce Yazicigil, derzeit Assistenzprofessorin an der Boston University und Gastwissenschaftlerin am MIT; und Anantha P. Chandrakasan, Dekanin der MIT School of Engineering und Vannevar Bush Professor für Elektrotechnik und Informatik.

Das Team wollte ein besseres RFID-Tag schaffen, indem es die Verpackung eliminierte, was die Größe und die Kosten erhöht. Verwenden Sie eine hohe Terahertz-Frequenz, etwa 100 GHz und 10 THz, um die Integration des Antennenarrays und der drahtlosen Kommunikation bei größeren Leseentfernungen zu ermöglichen, und fügen Sie kryptografische Protokolle hinzu.

Ibrahim sagte, sie hätten eine „ziemlich große Systemintegration“ entwickelt, die es den Forschern ermöglichte, alles auf einen monolithischen Siliziumchip mit einer Größe von 1,6 Quadratmillimetern zu packen.

Das ID-Tag (rechts) sendet drahtlose Kommunikation über Lesegeräteentfernungen, die mit den größeren RFID-Tags (links) konkurrenzfähig sind, und kann kryptografische Algorithmen ausführen, um nahezu jedes Produkt in der Lieferkette zu schützen. (Bild:mit freundlicher Genehmigung von MIT-Forschern )

Forscher sagten, dass der ID-Chip eine Reihe kleiner Antennen integriert, die Daten durch Rückstreuung zwischen dem Tag und dem Lesegerät hin und her übertragen, wobei die Antennen Signalaufteilungs- und -mischungstechniken verwenden, um Signale im Terahertz-Bereich zurückzustreuen. „Diese Signale verbinden sich zuerst mit dem Lesegerät und senden dann Daten zur Verschlüsselung.“

Das Antennenarray verwendet außerdem eine Strahlsteuerungsfunktion, die die Signalstärke und Reichweite erhöht und Störungen reduziert. Dies ist die erste Demonstration der Strahlsteuerung in einem Rückstreu-Tag, sagten die Forscher.

Der ID-Chip verwendet Fotodioden, um den Prozessor des Chips mit Strom zu versorgen, der das "Elliptic-Curve-Cryptography" (ECC)-Schema des Chips ausführt, das private und öffentliche Schlüssel kombiniert, um die Kommunikation privat zu halten.

„Durch die Optimierung des kryptografischen Codes und der Hardware kann das Schema auf einem energieeffizienten und kleinen Prozessor ausgeführt werden“, sagte Yazicigil, Assistenzprofessor an der Boston University und Gastwissenschaftler am MIT, in einer Erklärung.

„Es ist immer ein Kompromiss“, sagt sie. „Wenn Sie ein höheres Leistungsbudget und eine größere Größe tolerieren, können Sie Kryptographie einbeziehen. Aber die Herausforderung besteht darin, in einem so kleinen Tag mit einem geringen Energiebudget Sicherheit zu bieten.“

Die nächsten Schritte für die Forscher sind die Erweiterung des aktuellen Signalbereichs von etwa fünf Zentimetern und die Stromversorgung des Chips durch die Terahertz-Signale, um die Fotodioden zu eliminieren.