サプライチェーンにおける模倣品問題は、企業に年間数十億ドルの損失をもたらす可能性がありますが、これに対抗するため、MITの研究者はほぼあらゆる製品に取り付け可能な小型の暗号IDタグを開発し、その真正性を検証できるようにしました。
経済協力開発機構（OECD）による2018年の報告書は、2020年に世界で約2兆ドル相当の模倣品が販売されると推計しています。これは、世界各地の異なる供給元から部品を調達して製品を製造する消費者や企業にとって悪いニュースです。
模倣品の製造業者は、多数の検問点を経由する複雑な経路を使う傾向があるため、その出所と真正性を確認することが困難です。その結果、企業は模倣部品を掴まされてしまうことがあります。無線IDタグは、資産が検問点ごとに所有者を変える際にその真正性を確認する手段として、ますます普及しつつあります。しかし、これらのタグはサイズ、コスト、消費電力、セキュリティの面でさまざまなトレードオフを伴い、その可能性を制限しています。
例えば、一般的な無線周波数識別（RFID）タグは大きすぎるため、医療用・産業用部品、自動車部品、シリコンチップといった小さな物体には取り付けられません。また、RFIDタグには強固なセキュリティ対策が組み込まれていません。一部のタグは、複製を防ぎハッカーを退けるために暗号化方式を備えていますが、サイズが大きく電力消費も多いのが難点です。タグを小型化するには、無線周波数通信を可能にするアンテナ部品と、強力な暗号化を実行する機能の両方を諦めなければなりません。
昨日、IEEE国際固体回路会議（ISSCC）で発表された論文において、研究者らは、これらすべてのトレードオフを克服するIDチップについて説明しています。このチップはミリメートルサイズで、光起電ダイオードから供給される比較的低いレベルの電力で動作します。また、電源を必要としない「バックスキャッター」技術を用いて遠距離までデータを送信でき、その周波数はRFIDの数百倍の高さです。さらに、アルゴリズムの最適化技術により、極めて低いエネルギーで安全な通信を保証する一般的な暗号化方式を、このチップ上で実行することも可能になっています。
「私たちはこれを『あらゆるものへのタグ』と呼んでいます。そして『あらゆるもの』は文字通りあらゆるものを意味します」と、共著者でありMIT電気工学・コンピュータサイエンス学科の准教授で、マイクロシステム技術研究所（MTL）のテラヘルツ集積エレクトロニクス・グループの責任者であるRuonan Han氏は語ります。「例えば、単一のボルトや歯科用インプラント、あるいはシリコンチップの物流を追跡したい場合、現在のRFIDタグではそれができません。私たちは、パッケージも電池もその他の外部部品も必要とせず、機密データを保存・送信できる低コストで小型のチップを開発しました。」
Han氏とともに論文に参加しているのは、大学院生のMohamed I. Ibrahim氏とMuhammad Ibrahim Wasiq Khan氏、元大学院生のChiraag S. Juvekar氏、元ポスドク研究員のWanyeong Jung氏、元ポスドク研究員で现在ボストン大学助教授およびMIT客員研究員であるRabia Tugce Yazicigil氏、そしてMIT工学部長兼Vannevar Bush記念電気工学・コンピュータサイエンス教授であるAnantha P. Chandrakasan氏です。
システム統合
この研究は、より優れたRFIDタグを作る手段として始まりました。研究チームは、タグを嵩張らせ製造コストを増大させるパッケージングを取り除くことを目指しました。また、マイクロ波と赤外線の間にある高テラヘルツ周波数（約100ギガヘルツから10テラヘルツ）での通信も求めていました。これにより、アンテナアレイのチップ統合と、より長い読み取り距離での無線通信が可能になります。最後に、RFIDタグはほぼどのようなリーダーにもスキャンされ、データを無差別に送信してしまうため、暗号化プロトコルも必要だと考えました。
しかし、これらすべての機能を搭載するには、通常、かなり大型のチップを製造する必要があります。そこで研究者らは、Ibrahim氏によれば「かなり大規模なシステム統合」という手法を考案しました。これにより、すべての機能を、積層されていない一体型（モノリシック）のシリコンチップ上に収めることが可能となり、そのサイズはわずか約1.6平方ミリメートルでした。
一つの技術革新は、タグとリーダーの間でバックスキャッターによって前後にデータを送信する小型アンテナのアレイです。RFID技術で一般的に使用されるバックスキャッターとは、タグが、送信データに対応するわずかな変調を加えた入力信号を、リーダーに向けて反射させる現象です。研究者らのシステムでは、アンテナが信号の分割と混合の技術を用いて、テラヘルツ帯の信号をバックスキャッターします。これらの信号はまずリーダーと接続し、その後、暗号化のためのデータを送信します。
アンテナアレイには「ビームステアリング」機能が組み込まれています。これにより、アンテナは信号をリーダーに向けて集中させ、効率を高め、信号強度と通信距離を向上させ、干渉を低減します。研究者によると、これはバックスキャッタリングタグによるビームステアリングの初めての実証です。
アンテナ上の微細な穴から、リーダーの光が通過し、その下にあるフォトダイオードに届きます。このフォトダイオードは光を約1ボルトの電気に変換します。これによりチップのプロセッサが起動し、チップの「楕円曲線暗号（ECC）」方式が実行されます。ECCは、秘密鍵（ユーザーのみが知る鍵）と公開鍵（広く公開される鍵）を組み合わせて、通信を秘匿します。研究者らのシステムでは、タグは秘密鍵とリーダーの公開鍵を用いて、正当なリーダーに対してのみ自身を識別させます。つまり、リーダーの秘密鍵を持たない盗聴者は、無線リンクを監視するだけでは、プロトコルに関与しているタグを特定できないはずです。
Yazicigil氏によれば、暗号コードとハードウェアを最適化することで、この方式をエネルギー効率が高く小型のプロセッサ上で実行できるようになりました。「これは常にトレードオフです」と彼女は語ります。「より高い電力予算とより大きなサイズを許容すれば、暗号化を組み込むことができます。しかし課題は、低い電力予算の小型タグにセキュリティを持たせることなのです。」
限界への挑戦
現在、信号の範囲は約5センチメートルで、これは遠方界（ファーフィールド）の範囲とされ、携帯型のタグスキャナを便利に使用できます。次に研究者らは、Ibrahim氏によれば、範囲をさらに「限界まで押し広げる」ことを目指しています。最終的には、サプライチェーンの検問所にある受入室など、遠く離れた場所に置かれた一台のリーダーに、多数のタグが応答することを望んでいます。そうすれば、多くの資産を迅速に検証できるようになるでしょう。
「リーダーを中央ハブとして、リーダーに近づく必要なく、すべてのチップがビームステアリングによって信号を送り、その一台のリーダーと通信できるようになると考えています」とIbrahim氏は語ります。
研究者らはまた、テラヘルツ信号そのものによってチップに完全に給電し、フォトダイオードを一切不要にすることも望んでいます。
これらのチップは非常に小型で、製造が容易かつ安価であるため、より大型のシリコン製コンピュータチップに組み込むことも可能です。大型のシリコン製コンピュータチップは、特に模倣品の標的になりやすいものです。
「米国の半導体産業は、模倣チップによって年間70億ドルから100億ドルの損失を被っています」とWasiq Khan氏は語ります。「私たちのチップは、セキュリティ目的で他の電子チップにシームレスに統合できるため、業界に大きな影響を与える可能性があります。私たちのチップは一個数セントですが、その技術は計り知れない価値があります」と彼は冗談めかして語りました。
