NFC

近距离无线通讯NFC芯片的发展

2014-12-14 16:40:04 明申科技 22

[摘要] 由于近场无线通讯(NFC)技术应用在移动支付以及智能联网趋势兴起,移动电话以及 各式各样的联网终端产品搭载NFC芯片开始成为潮流,国际间各家芯片大厂也投入更多心力 于NFC芯片的开发。在恩智浦NXP占有NFC芯片大半市场的情况下,第二、三名的INSIDE Secure以及意法半导体ST如何因应?如何走出自己的一条路? 

看好近距离无线通讯(NFC)技术在物联网时代的后势发展,包括恩智浦NXP、INSIDE Secure及意法半导体ST三大芯片商,已分别挟自有产品和技术优势展开抢攻,并积极拉拢终端合作厂商巩固销售通路,形成各据山头的局面。 由于近场无线通讯NFC技术应用在移动支付以及智能联网趋势兴起,移动电话以及各式各样的联网终端产品搭载NFC芯片开始成为潮流,国际间各家芯片大厂也投入更多心力于NFC芯片的开发。在恩智浦NXP占有NFC芯片大半市场的情况下,第二、三名的INSIDE Secure以及意法半导体ST如何因应?如何走出自己的一条路?

1 垂直供应链完整,NXP抢得市场先机 

NXP于2006年从飞利浦Philips电子公司独立出来,NXP基于飞利浦开发电子产品时发明的高效能混合讯号技术,以及瞄准未来联网以及节能趋势,专注于开发汽车、辨识、可携式装置及电脑、基础设备及工业四大领域的IC,其中辨识IC为其主要的营收来源,NFC芯片即属于辨识IC的主力产品之一。 

NXP为了在推出产品的时程上领先竞争对手,所以与终端厂商采用合资与合作伙伴的模式,建构垂直整合供应链。在硬体设计方面,NXP采用合资方式,在欧洲及亚洲与五家前端晶圆厂及七家后端封装测试厂结盟。由于拥有前后端的设备,当其为芯片开规格时,可以更快的测试其产品可行性,缩短产品开发时间;再者,通过前端制程的改善与后端封装技术的改良,可以缩小芯片尺寸与降低芯片设计成本。 

在软件开发方面,NXP展开了合作伙伴计划,和全球七十家左右的公司,如微软Microsoft、Google、安谋国际ARM等建立合作关系,在软件、作业系统、软件开发工具、软硬件整合方面进行合作,通过此方式降低自身与合作伙伴开发软件的成本及分担彼此开发风险,且通过合作伙伴进而更了解市场需求,加速推出更完整的解决方案。 

由于 1994年NXP就开发出MIFARE技术,并将其推广于欧美的交通运输市场,虽然在2004年成立NFC论坛,统一NFC技术的通讯及应用标准,但MIFARE Classic及Plus两种标准并未被纳入NFC Forum,不过基于此两种标准的MIFARE卡目前被欧美的交通运输市场广泛采用。2013年MIFARE卡在全世界交通运输市场的采用率为第一名,所以NXP以此优势,推出市场上唯一同时相容MIFARE标准与NFC Forum标准的产品,增加其芯片在国际间的通用性。例如2009年推出的PN544移动电话NFC芯片,是市场上唯一相容于MIFARE Classic技术的芯片;此外,2014年亦领先业界将自家PN547移动电话NFC芯片导入Visa所推动的HCE(Host Card Emulation)标准,此标准使用软件撰写将移动电 话模拟成卡功能,并保护NFC交易的安全性,而不须要再额外搭载安全元件,此举亦进一步扩大其 NFC芯片的相容性及应用性(表1)。 

NFC芯片的相容性及应用性

表1 NFC芯片的相容性及应用性 

2 瞄准多种终端应用,产品线多元布局

通过合作伙伴关系,NXP精准掌握终端制造商的需求,开发多元终端应用的芯片,产品线非常全面。当不同终端制造商采用其芯片时,可依据自身需求选择搭载的芯片,可以降低开发成本及时间。 

MIFARE 卡为NXP最广为人知且历史最为悠久的产品,主要用途为交通运输,卡片分成一次型及持续使用型,Ultralight为一次使用型的芯片,其无安全防护机制且应用卡片材质为纸质,因此终端产品成本相对降低。持续使用型芯片,DESFire与Plus,往高安全性演进,通过国际标准 EAL(Evaluation Assurance Level)4级以上认证(EAL分为7级,越高级代表安全性越高);其中Plus为Classic的升级版,在安全性与记忆体容量都做了升级,而为了降低产品更新的成本,其前一代产品可通过软件更新,直接升级其安全性,而不用更换卡片。Reader芯片则专门为读取MIFARE卡片而开发设计,为防止资料被窃取或修改,资料传输及保存的安全性是产品演进的重点。 

用于基础设备的芯片分为有中央处理器(CPU)及无CPU两类,无内建CPU 系列的PN512,主要应用于便宜、小尺寸、单电源的终端产品。因应电子商务的趋势,基础设备可能需要更强大的运算功能及安全性,NXP于2012年开发内建CPU的PN544PC芯片,并提高其安全规格,使该终端设备可以进行安全交易。 

Tag方面,由于希望能够加速辨识功能,新一代的芯片NTAG21改写内部指令码及新增UIDASCII镜像功能,使得即使与前一代芯片在同一标准下,仍能够达到更快速的资料传输。同时,为因应未来移动支付时的安全性,增加密码位元来保护芯片内的资料;此外,考量未来可能终端产品都具备有蓝牙(Bluetooth)或者无线区域网络(Wi-Fi)功能,新增场域侦测模式,来加速装置间的配对。 

用于移动电话的新一代PN547芯片于2012年推出,NXP为了扩充此产品的通用性,使移动电话能集成多卡功能(如信用卡、交通卡等)于一身,以及通用于世界各国,因此芯片规格适用于所有NFC Forum通讯标准、符合所有MIFARE卡标准、并且可以通过单线连接协议(Single Wire Protocol, SWP)来达成FeliCa卡使用功能。而为了使移动电话 制造商和电信营运商在选择安全元件的方案上更具 灵活性,PN547芯片同时支援三种安全元件介面。再 者,由于商业银行在移动交易里面扮演重要角色, 新一代芯片的安全及交易标准朝向符合EMV交易认 证;此外,NXP通过将其芯片的天线体积缩小及射频 范围增加,降低芯片成本及缩小芯片尺寸。 

3 拥大量NFC硅知识产权,INSIDE Secure以授权 获利 

INSIDE Secure前身为INSIDE Contactless,专注于NFC技术以及交易安全技术的开发,因此产 品多为用于智能卡的NFC芯片;2010年,并购爱 特梅尔Atmel的安全元件部门,且改名为INSIDE Secure,宣示该公司着重于NFC安全元件开发的决 心,于2012年开发出该公司第一颗NFC安全元件-- valutSEcure。虽然目前该公司以安全元件开发为主 轴,但并未放弃智能卡NFC芯片的主导权。 

由 于 从 NFC 技 术 的 开 发 起 家 , 因 此 INSIDE Secure拥有相当完整的NFC的基础硅知识产权(SIP Silicon Intellectual Property),但因为交通运 输与移动电话的NFC芯片市场几乎被NXP所垄断,再 加上使用移动电话进行支付交易时,必须搭载一安 全元件来做卡模拟功能,安全元件在移动支付应用 上的重要性,以及NFC安全元件的技术门槛和利润比 NFC控制芯片高,所以转而投入NFC 安全元件技术的 开发。 

该公司于2012年底将公司事业体系重新划分为 移动安全及交易安全两大部门,并将NFC技术的IP采用授权方式来获利。2011年,INSIDE Secure将NFC IP授权给英特尔Intel,让Intel去开发搭载于笔记 型电脑以及平板电脑的NFC芯片;并在2012年与法国 专利授权管理公司France Brevets签约,将大部分 的NFC IP交给该公司管理,当厂商侵犯到其NFC专利 时,由France Brevets来进行专利诉讼或者授权。 

4 着重金融智能卡芯片市场,通过多种安全性认证 

INSIDE Secure从前身的INSIDE Contactless开始,就注重于智能卡的NFC芯片开发,于2005年 推出业界首款的信用卡NFC芯片MicroPass,并于该 年开始与信用卡发卡组织Visa长期合作,将Visa推 出的安全交易标准技术写入MicroPass芯片,因此为Visa卡主要的合作对象。 

此外,虽然 2011年开始将大部分的NFC IP 采用授权方式获利,但仍留下MicroPass芯片产品 线,持续开发商业银行需求的智能卡芯片。金融智 能卡的发卡商为了统一规范智能卡芯片的规格,因 此成立EMVCo联盟,并制定EMV智能卡芯片安全标 准,若要将NFC芯片使用于智能卡上,则必须先通 过此一安全标准,包含对芯片硬体规格以及安全认 证流程的规范。 

因为各家发卡企业都有自己的安全认证程序 规范,当芯片要销售给发卡企业时,必须再通过 各家企业安全认证。例如Visa VCSP(Visa Chip Security Platform)主要规范动态数据安全认证 的模式,此安全认证能够为每笔交易产生独特的 签章代码,使得卡片不容易被盗用。MasterCard CAST(Compliance Assessment and Security Testing)主要验证芯片是否具有能力应对交易过 程中的攻击以及芯片电路安全性。由美国前四大发 卡银行之一的Discover所提出的 Discover zip则强调交易的快速性以及芯片的微小化。因此INSIDE Secure开发的芯片主要通过此四种安全认证,并为 此三大企业的EMV芯片主要采用对象,如其代表性 芯片MicroPass4102/4103(表 2)。 

NFC芯片的相容性及应用性

表2 INSIDE Secure开发的智能芯片 

5 增强NFC控制能效,ST扩展MCU产品阵容 

意法半导体为一家拥有晶圆厂的半导体商, 其产品主要应用到微机电制造与感测器、车辆、能 源、微控制器(MCU)、以及消费型电子产品五大领 域。NFC芯片属于MCU产品线,以下分析该公司NFC 芯片的策略走向。 

由于移动装置的处理器大部分是基于安谋国 际(ARM)的处理器架构上来开发,为了增加产品 的通用性,方便终端企业开发使用,所以意法半 导体与ARM合作,基于其处理器架构上,开发多达 四百五十种的MCU,包含了从高运算速度到低运算 速度的产品,这些MCU只要与NFC控制器作整合,就 可以搭载在不同的终端类型产品进行NFC的应用, 让企业可由应用面及价格来做最佳选择。 

此外,由于看到安全元件在移动支付应用的重 要性,该公司亦开发安全元件的 MCU。在NFC的安 全元件MCU方面,由于不同类型终端企业所需要的 安全元件模式不同,所以同时开发三种安全元件模式的产品(内嵌于移动电话、内嵌于micro SD卡及内嵌于SIM卡),例如电信企业希望将安全元件内嵌于SIM卡,以便客户更换移动电话时,安全元件内的基本资料可以携带移动。由于安全元件MCU与NFC的MCU一样都是在ARM的架构上开发,因此两者易于整合时,能降低终端企业的产品开发成本。 

6 因应智能联网趋势,聚焦开发Tag产品 

当 NFC技术应用在智能联网时,一般会使用移动电话来操作周边的联网装置,因此除移动电话需要配备NFC芯片外,也需要在基础设备,如家电、医疗器材等装上 Tag。EEPROM基于其重复读写、省电、且资料可在断电状态下长久保存的特性,被广泛用在Tag的记忆体,意法半导体基于对EEPROM技术的深耕优势,因此聚焦于Tag产品开发,其Tag产品包含RFID与NFC两种应用,被广泛用于物流、制造、以及终端用户服务。 

此外,该公司于 2013年领先市场推出动态Tag芯片-M24SR。意法半导体通过将Tag设计成双通讯介面(RF与I2C通讯介面),当Tag通过RF通讯收到指令时,可以使用I2C介面与基础设备内部的MCU沟通互动,而不再如传统Tag般只是单纯读取Tag讯息。因此当基础设备装上动态Tag,则可使用移动电话来操作设备,并由于基础设备毋须安装键盘、萤幕或网络介面,因而可减少其设备的成本及体积;例如将电表装入动态Tag,则可以使用移动电话来下指令给电表,设定电表使用上限,或者读取电表目前的用电金额。 

7 满足未来应用需求,NFC芯片持续跟进 

综观三家NFC芯片大厂的产品规格发展,可以归纳出几个共同特点:芯片小型化、省电、多通讯标准相容性、高传输速度以及寻求多种国际安全认证发展等。其主要原因有以下几点。 

(1)为因应移动支付趋势的来临,各家大厂于2012年开始皆陆续推出移动电话NFC芯片。移动电话NFC芯片为一种额外搭载于移动电话的芯片,无法取代蓝牙或Wi-Fi功能,因此对于终端厂商而言,自然希望其芯片尺寸可以更小、更省电、芯片成本更低。 

(2)当NFC移动电话用于支付交易时,安全性就显得非常重要,主要信用卡发行企业针对交易安全成立EMVCo联盟,推出芯片的EMV认证标准,芯片企业必须通过此一认证,芯片才有被采用的机会。 

(3)智能联网兴起下,所需传输资料量将会越来越大,NFC技术用在资料传输时,势必提升其资料传输量与传输速度。 

(4)为了增加NFC芯片的通用性,使终端企业易于采用,现今推出的芯片也都符合全部NFC Forum的通讯标准。 

此外,为了开发出更符合市场需求的芯片及降低终端厂商的产品开发成本,三家大厂皆积极与终端厂商合作,并由此巩固销售通路。 

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