Шумахер У. Полупроводниковая электроника

рактеризуются

наличием

8-,

16или

чивающего высокую степень защиты ин-

32-битного контроллера безопасности, а

формации, предполагая, что ядром этой

также наличием встроенной оперативной

системы будет созданный специально для

(ОЗУ) и энергонезависимой памяти. Объём

смарт-карт защищённый ЦПУ, необходимо

ОЗУ такого процессора может достигать

принимать во внимание следующие факто-

2 Кбайт, объём ЭППЗУ — до 32 Кбайт, объ-

ры:

ём ПЗУ — также до 32 Кбайт. Опционально

разработка криптоконтроллеров связана

в состав микросхемы может входить аппа-

с повышенными требованиями со сторо-

ратно-оптимизированный криптопроцес-

ны различных пользовательских прило-

сор (512 и 1024 бит) и бесконтактный ин-

жений. Это обусловливает необходи-

терфейс с

частотой

передачи

13.65 МГц.

мость использования усовершенствован-

При наличии такого интерфейса данные

ных или специализированных, масшта-

могут передаваться на расстояние от не-

бируемых

и высокопроизводительных

скольких миллиметров до 10 см.

микроконтроллеров,

удовлетворяющих

Концепция

«семейства микроконтрол-

высочайшим требованиям безопасности,

леров», исповедуемая компанией Infineon,

особенно когда речь идёт о размещении

нацелена на создание группы различных по

нескольких устройств в непосредствен-

цене, характеристикам и функциональным

ной близости друг от друга на одном

возможностям

устройств,

что

позволяет

кристалле;

удовлетворять самым различным требова-

при реализации периферийных уст-

ниям

рынка

контроллеров

безопасности

ройств необходимо будет использовать

для смарт-карт.

модули, снабжённые двумя физически-

Самое успешное семейство контролле-

ми интерфейсами: контактным и бес-

ров (SLE 66CxxP) базируется на специально

контактным. Модули ввода/вывода, раз-

разработанном для смарт-карт 16-битном

мещённые на смарт-карте, вместе с кла-

процессорном ядре, вместе с которым на

виатурой,

датчиком

отпечатка пальца,

кристалле

могут

быть

размещены

гибким ЖК-экраном, солнечными бата-

64…136 Кбайт

ПЗУ,

2…4 Кбайт

ОЗУ и

реями,

микрофоном

и акустическими

8…64 Кбайт

ЭППЗУ

или

флэш-памяти.

системами, будут представлять собой ин-

Производительность ядра может быть уве-

терфейс «человек — машина»;

личена за счёт использования специализи-

объединение компонентов на карте от-

рованных аппаратных решений. Напри-

крывает гораздо б=ольшие, нежели про-

мер,

криптопроцессор

Advanced

Crypto

стое совершенствование полупроводни-

Engine (улучшенная шифровальная маши-

ковых технологий, перспективы в плане

на) совместно с полностью аппаратным ге-

развития кардинально новых подходов к

нератором

«истинно»

случайных

чисел

технологии инкапсуляции. Только ис-

обеспечивают быстрые и эффективные рас-

пользование интеллектуальной концеп-

чёты для таких криптографических алго-

ции безопасности, основанной на мони-

ритмов, как RSA (длина ключа до 2048 бит),

торинге состояния всей системы в це-

или эллиптических логарифмов. Аппарат-

лом, в том числе — состояния кристалла,

ные датчики обеспечивают защиту кристал-

корпуса ИС и самой смарт-карты, позво-

ла при любом режиме работы. Данное се-

лит удовлетворять высочайшим требова-

мейство контроллеров уже сегодня может

ниям по обеспечению безопасности, ко-

служить основой для создания многофунк-

торые будут предъявляться к аппаратной

циональных смарт-карт. Наряду с высокой

производительностью, все микросхемы оп-

применение датчиков, сопроцессоров, а

тимизированы с точки зрения минимиза-

также

дополнительных

аппаратных

ции энергопотребления и могут быть ис-

средств обеспечения безопасности с под-

пользованы в бесконтактных системах.

держкой функции саморазрушения, яв-

8.6.2. «Система на карте» — вызов

ляются теми направлениями работы по

повышению безопасности, которые бы-

будущего

ли заложены при проектировании но-

При разработке портативного компьюте-

для смарт-

ния еще одной математической проблемы:

мещения нескольких приложений в одной

вычисление эллиптических логарифмов.

карте. Например, торговые сети желают

Поскольку базовые операции при осущест-

иметь программу бонусов, которая позво-

влении такого расчёта требуют в несколько

лит собирать информацию о бонусных бал-

раз больше вычислительных ресурсов, чем

лах, начисляемых покупателю при исполь-

традиционные

арифметические команды

зовании кредитной карты. Однако при этом

процессора, тот же уровень безопасности

возникает определённая проблема. Она со-

может быть достигнут при использовании

стоит в том, что в уже проверенную экспер-

гораздо более коротких чисел. Достаточны-

том кредитную карту нужно добавить функ-

ми, в настоящее время, считаются 50-раз-

цию, которую нельзя проверить с точки

рядные десятичные числа. Благодаря зна-

зрения стоимости и универсальности.

чительно меньшим требованиям к объёму

Решение данной проблемы могут обес-

памяти и скорости передачи данных, скорее

печить многофункциональные карты, в ко-

всего рост

коммерческого

использования

торых гарантируется безопасное разделение

криптографических

сопроцессоров

для

исполняемых ими функций. Такие карты

смарт-карт будет происходить за счёт алго-

позволяют загрузить тщательно протести-

ритмических процедур, базирующихся на

рованные приложения совместно с други-

обработке эллиптических логарифмов.

ми, которые не подвергались такому тести-

Поскольку архитектура криптопроцессо-

рованию; при этом последние не будут ока-

ров компании Infineon хорошо подходит

зывать никакого влияния на функциониро-

для реализации таких алгоритмов, эти

вание первых.

криптопроцессоры представляют собой ап-

Безопасное разделение функций может

паратное

решение,

соответствующее

не

быть осуществлено различными способами.

только требованиям текущего момента, но

Один из многообещающих подходов за-

и требованиям

будущих

перспективных

ключается в использовании операционной

разработок.

системы с

встроенным интерпретатором.

Смарт-карты с поддержкой асимметрич-

С программной точки зрения, интерпрета-

ной криптографии могут использоваться в

тор создаёт реально несуществующую (вир-

качестве мобильного персонального уст-

туальную) машину. Эта виртуальная маши-

ройства обеспечения безопасности личных

на может исполнять команды (так называе-

данных пользователя в процессе доступа к

мые байт-коды), подобные командам на-

защищённым объектам или при оплате ус-

стоящего процессора, но физически она не

луг и покупок. Этот доступ будет безопас-

является аппаратно реализованным про-

ным, аутентичным и, при необходимости,

цессором, а представляет собой машинный

анонимным.

код (программу), который исполняется в

Кроме того, именно широкое примене-

настоящем, реальном процессоре.

ние асимметричной криптографии являет-

Приложения в смарт-карте реализуются

ся тем необходимым условием, которое

именно в таких байт-кодах и исполняются

позволит

разнообразить

использование

интерпретатором. Выгода подобного под-

смарт-карт (в настоящее время их примене-

хода заключается в том, что интерпретатор

ние, в основном, специализировано). С ис-

может ограничить права доступа исполняе-

пользованием же упомянутых выше алго-

мого кода к данным других приложений.

ритмов можно будет безопасно изменять

В отличие

от аппаратно реализованных

или расширять функциональные возмож-

контроллеров, в которых машинный код

ности смарт-карты, даже после того, как

имеет свободный доступ ко всему объёму

она уже будет передана клиенту.

памяти, это позволяет ограничивать доступ

для исполняемого кода только данными,

8.8. Чипы для много-

ассоциированными с конкретным прило-

функциональных карт

жением (т.е. с определённой функцией), не

Смарт-карты в наше время в подавляю-

предоставляя ему возможности читать и из-

менять данные и коды других приложений.

щем большинстве ориентированы на спе-

Таким образом, появляется возмож-

циализированное применение (кредитки,

ность добавления дополнительных прило-

телефонные SIM-карты, и т.п.). Однако всё

жений к уже существующему, отвечающе-

явственнее становится необходимость сов-

му требованиям безопасности приложению

встроенной ЭППЗУ на кристалле пло-

Смарт-карты используются в условиях

щадью менее 10 мм2. Переход в 2003 году к

значительных механических нагрузок и при

технологическим

нормам 0.13 мкм

стал

воздействии факторов, способных вызвать

важнейшим шагом вперёд в области созда-

коррозию

материалов.

Следовательно,

ния ещё

более высокопроизводительных

очень важно предусмотреть правильный

микросхем, выгодным в том числе и с эко-

способ корпусирования кристаллов микро-

схем, поскольку чем тоньше чип, тем выше

Отвечая требованиям рынка, компания

гибкость готовой смарт-карты. Это требует

Infineon устанавливала новые стандарты де-

внедрения новых технологических процес-

факто (путём выпуска новой высокопроиз-

сов, позволяющих довести толщину чипов

для

микросхем,

смарт-карт примерно до 120 мкм. С разви-

использовавшихся

в качестве

аппаратной

тием перспективных технологических про-

платформы смарт-карт. Эти стандарты, по-

цессов, таких как интеграция на основе

мимо всего прочего, включают в

себя

трёхмерных (3D) структур, можно ожидать

0.6-мкм КМОП-технологию в качестве ба-

снижения этой величины до 5…10 мкм.

зового производственного процесса микро-

Внедрение технологий 3D-структур в

схем контроллеров (при этом стандартный

производстве полупроводниковых кристал-

контроллер безопасности с 8-Кбайт ЭП-

лов микросхем позволит увеличить коли-

ПЗУ, обычно используемый для GSM-при-

чество слоёв, задействованных в передаче

ложений, занимает менее 8 мм2 поверхнос-

электрических сигналов, при той же пло-

ти кристалла). Последовавшее в 1998 году

щади кристалла (для смарт-карт макси-

внедрение 0.25-мкм технологического про-

мально допустимая, с точки зрения устой-

цесса существенно улучшило функцио-

чивости к механическим нагрузкам, пло-

нальность контроллеров и позволило уве-

щадь поверхности кристалла составляет

личить объём встроенной памяти. С появ-

25 мм2). Взаимное экранирование этих сло-

лением флэш-технологии стало возможным

ев обеспечивает дополнительную защиту от

быстро «персонализировать» память про-

помех, что ещё больше увеличивает безо-

грамм и память данных в соответствии с

пасность работы.

конкретными требованиями пользователей.

В заключение следует подчеркнуть, что

В свою очередь, развитие технологии, бази-

высокая скорость обновления продукции и

рующейся на использовании 20-см полу-

особенности конструкции микросхем для

проводниковых пластин, значительно по-

смарт-карт требуют специально подготов-

высило

экономические

показатели

при

ленных разработчиков,

которые должны

массовом производстве смарт-карт.

хорошо разбираться в вопросах безопасной

Следующим шагом в развитии смарт-

передачи информации и обладать способ-

карт будет интеграция памяти, изготовлен-

ностью оптимально реализовывать матема-

ной по технологии FRAM, в микросхемы

тические алгоритмы на кристалле мини-

контроллеров для смарт карт, что обеспечит

мального размера.

дальнейшее снижение энергопотребления и

8.10.3. Требования, предъявляемые

8.10.2. Требования к технологии,

к готовой продукции

Производство смарт-карт характеризует-

продукции и схемным решениям

ся быстрым обновлением ассортимента вы-

Поскольку микросхемы для смарт-карт

пускаемой продукции. Различные модели

могут разрабатываться только на основе са-

следуют одна за другой, причём время от

мых передовых технологий, а требования к

времени происходит и переход к новому по-

их производительности всё время растут,

колению

полупроводниковых технологий.

срок службы этих устройств достаточно ог-

Эта тенденция, а также значительные коле-

раничен. Для того чтобы обеспечить разра-

бания потребительского спроса, требуют от

ботчикам возможность гибкого выбора и

производителей максимальной гибкости в

внедрения самых

современных решений,

принятии решений на всех этапах цепи

интервал появления технологических нови-

поставок.

нок должен составлять примерно 1.25 года.

Основную проблему

здесь составляет

сложность производимой продукции, а так-

338 8. Смарт-карты

же риск возникновения схемотехнических

обеспечивать решение общей задачи — пос-

и технологических ошибок. Предваритель-

троение системы информационной безо-

ным условием снижения этого риска явля-

пасности.

ется использование наиболее эффектив-

8.11.2. Аппаратная безопасность

ных технологий производства и постоян-

ный контроль готовой продукции и техно-

Для того чтобы обеспечить максимально

логических процессов.

возможную на аппаратном уровне безопас-

8.11. Информационная

ность, следует

обратить

внимание на все

этапы производственного цикла. При этом

безопасность

ответственность за обеспечение безопас-

Встроенная система безопасности смарт-

ности, связанной с архитектурой микросхе-

мы, её схемотехнических решений и техно-

карт, когда все защитные функции реализо-

логии её изготовления, возлагают на произ-

ваны непосредственно «в кремнии», гаран-

водителя. Он

же гарантирует эффектив-

тирует конфиденциальность пользователь-

ность размещённых на кристалле средств

ской информации, защиту от подделки и

обеспечения безопасности (так называемая

технологическая философия безопасности)

и защиту информации в процессе разработ-

безопасности

ки и производства микросхем для смарт-

Экстраординарные показатели роста, от-

карт.

меченные в последние годы на рынке сис-

8.11.3. Пирамида безопасности

тем обеспечения

информационной

безо-

Поскольку для различных применений

пасности и производства ИС криптоконт-

смарт-карт требуются различные

уровни

роллеров, демонстрируют, сколь большое

безопасности,

полупроводниковая

про-

внимание уделяется вопросам безопаснос-

мышленность должна выпускать широкий

ти в современных информационных техно-

ассортимент микросхем для смарт-карт, па-

логиях.

раметры которых зависят от необходимого

Благодаря своим превосходным характе-

уровня безопасности конкретного прило-

ристикам, смарт-карты становятся стандар-

жения (т.е. возникает своего рода «пирами-

том де-факто

среди

средств

обеспечения

да безопасности»).

безопасности при обработке информации.

Различные

ступени

этой

пирамиды

Основой эффективной защиты против

представляют собой переходы от базового

незаконных манипуляций со смарт-карта-

уровня безопасности (основанного на ис-

ми является сочетание:

пользовании энергонезависимой памяти) к

аппаратной

безопасности

(на

уровне

аппаратным методам обеспечения безопас-

микросхем);

ности, а затем и к использованию средств

программной безопасности

(на

уровне

повышенной

безопасности

(например,

операционных систем смарт-карт и при-

криптографического сопроцессора или спе-

кладного программного обеспечения);

циальной технологии проектирования).

системной

безопасности (обеспечение

Самый

высокий уровень

обеспечения

безопасного

взаимодействия

между

безопасности,

являющийся при этом ос-

смарт-картой,

считывающим

устрой-

новным

для

большинства

применений

ством и базовой системой).

смарт-карт, может быть достигнут путём ре-

Высочайший уровень безопасности мо-

ализации криптографических алгоритмов с

жет быть достигнут лишь в том случае, ког-

использованием открытого ключа. Цифро-

да производитель полупроводниковых при-

вая подпись, разделение ключей и усовер-

боров, производитель смарт-карт, дистри-

шенствованные схемы управления ключа-

бьютор и системный интегратор заинтере-

ми — всё это возможно только с внедрени-

сованы в решении этой задачи и тесно со-

ем систем, поддерживающих криптографи-

трудничают друг

с

другом.

При

этом

ческие алгоритмы с использованием откры-

Смарт-карта — гарант качества жизни инди-

В ближайшем будущем каждый человек

видуума

будет иметь в своём кармане в среднем от

С появлением смарт-карт впервые в ис-

трёх до пяти смарт-карт, а их общее коли-

чество во всём мире достигнет 21…35 мил-

тории стало возможным хранить и обраба-

лиардов

тывать персональные данные независимо

Всевозможные смарт-карты различных

от центральных архивов или баз данных.

типов распространятся по всему миру: теле-

Таким образом, смарт-карты защищают ин-

фонные карты, карты системы Eurocheck,

дивидуальную, частную жизнь. Используя

кредитные карты, карты медицинских дан-

смарт-карту, можно отказать кому бы то ни

ных, карты платного телевидения, карты в

было в доступе к своим персональным дан-

качестве электронных кошельков, иденти-

ным либо разрешить этот доступ, что зна-

фикационные карты, автомобильные клю-

чительно улучшает информационную безо-

чи, разнообразные карты доступа (офис-

пасность каждого человека.

ные, для ПК, для доступа в зоны безопас-

Мало того — использование смарт-карт

ности) и т.д. При этом количество смарт-

увеличивает мобильность, поскольку лю-

карт на душу населения в индустриально

бой человек всегда может иметь при себе

развитых и развивающихся странах будет

все необходимые данные, что даёт ему воз-

примерно одинаковым.

можность пользоваться многочисленными

Играя заметную роль в производстве

цифровыми услугами всюду, где бы он не

микросхем для контактных и бесконтакт-

находился.

ных смарт-карт, компания Infineon облада-

Смарт-карты — деньги будущего

ет всеми необходимыми технологическими

Повсюду — в киоске, в супермаркете, в

возможностями по созданию многофунк-

циональных микросхем для смарт-карт,

метро, в автобусе или при покупке через

способных удовлетворять требованиям бу-

Интернет — можно осуществлять удобную

дущего.

и безопасную оплату при помощи смарт-

карты.