国内智能卡IC产业关键技术发展趋势的分析与思考

国内智能卡IC产业关键技术发展趋势的分析与思考大唐微电子技术有限公司总经理刘津【摘要】本文从国内智能卡IC产业的发展状况分析入手，着重分析国内智能卡IC产业发展中遇到的关键技术问题和瓶颈，结合国内集成电路产业发展的内外部环境和发展总体趋势，提出了对国内智能卡IC产业关键技术发展趋势的分析与思考,供业界同仁参考。希望产业界能共同努力，为推进国家集成电路产业的做大做强，提前做好技术和产品准备。一、国内智能卡IC产业发展情况2013年，国内智能卡IC产业方面，发生了几个标志性事件。一是金融IC卡出现爆发式增长，发卡量是2012年前累计发卡量的近4倍，且加入国密算法的PBOC3.0在银行商用推广实施，国内芯片安全检测认证体系已建设完善，多家国内芯片商金融IC芯片通过检测认证;截至2013年末，全国金融IC卡累计发行5.93亿张，实现商户POS和ATM受理全面覆盖，全国已有近150家商业银行发行了金融IC卡，全年新增发卡量4.67亿张，是2012年前金融IC卡累计发卡量1.26亿张的3.7倍。同时，金融IC应用在原有PBOC2.0的基础上，除少量技术升级外，加入了SM2\SM3\SM4国密算法，以使金融卡交易过程能直接使用国产安全算法，提升交易的安全性。另外，经过二年多的体系建设与技术升级完善，银联卡检测中心的芯片安全检测认证体系建设完成，以大唐微电子等公司为代表的国产主流芯片企业的多款金融芯片通过相关检测，大唐金融IC芯片还通过了国际EMVCO芯片认证，标志着国产芯片的安全性已达到国际先进水平，能较好满足金融IC卡的安全要求。二是移动支付技术标准实现统一，SWP-SIM卡成为三大运营商及银联共同认可的最终产品形态，并开始规模商用发卡;移动支付的标准之争曾经导致移动支付的产品形态多样化、难以统一，从而使受理终端、手机、业务平台难以实现各厂家间的业务互通，一度困扰着移动支付业务的快速发展。随着中国移动等三大运营商与银联为代表的金融、银行方就移动支付的技术标准、产品形态达成统一，SWP-SIM卡成为承载移动支付业务的载体，银行以SIM卡空间租用方式与运营商就移动支付的业务合作达成利益平衡，从而使移动支付业务发展进入快车道。在2013年已发卡数百万张的基础上，2014年中国移动、中国电信计划发行SWP-SIM卡上亿张，从而为M级大容量SWP芯片的国产化带来了新机遇。三是金融社保卡、二代身份证等电子证卡类行业应用卡规模商用，以及苹果、三星等手机加入指纹识别功能，使生物识别技术，特别是指纹识别技术应用需求爆发初露端倪;2013年，金融社保卡发卡量约1.4亿张，总发卡量约4.8亿张。但在实际业务使用中，少数持卡人将卡片借给他人使用，从而造成国家社保资金的冒用。因此，后续防止卡片冒用是下阶段社保卡业务发展中需要重点解决的问题之一。而二代身份证也出现了在卡挂失后，被他们冒用进行犯罪的情况，这也促使业务主管部门下决心在卡片内加入指纹识别信息并在业务中实际使用，以实现人卡身份的唯一绑定识别。2013年9月，iPhone5S首次加入指纹识别功能用于登录与支付，其后三星最新机型手机GALAXYS5也加入指纹识别功能，从而使手机安全支付的发展有了新的技术支撑手段。四是微信支付等互联网支付、余额宝等互联网金融快速发展，使大众对于手机支付等电子支付的安全需求快速上升并成为关注焦点。嘀嘀打车应用带动了微信支付的普及发展，通过手机支付将成为未来的发展趋势之一。但支付安全问题却困扰着手机支付的普及发展，也可以说手机支付的快速发展必将推进支付安全技术的变革。而余额宝等互联网金融也对PC端的安全网络支付和金融网络服务提出了更高的安全要求。目前用于手机的OTP口令牌、用于PC的UKEY等产品，由于每家银行、网络支付服务商都不同，不便于用户随身携带，同时也存在丢失后被冒用的安全风险，因此未来手机支付、网络支付的广泛使用将推动生物识别等安全技术的发展。五是信息安全成为国家安全战略的一个重要组成部分，国家对于集成电路产业的投入加大，新一轮集成电路产业扶持规划逐步出台。棱镜门等事件使国家主管部门及大众充分意识到信息安全的重要性。面对不容乐观的国家信息安全形势，国家相关主管部门正在加紧制定我国的信息安全标准，加快国家信息安全战略和规划文件的研究起草工作。信息安全作为国家安全策略的一个组成部分，得到高度重视，尤其提出，信息安全的核心在于基础芯片领域的自主可控。2014年，集成电路产业的政策扶植力度将会空前，全国各省将设立致力于芯片国产化的产业扶持基金，集成电路产业将会迎来良好的发展机遇。与此前的“撒胡椒面”的扶植策略不同，新的国家扶植政策将采用更加灵活的体制方式，例如产业基金的建立和运作等，重点做大做强几家具有国际竞争力的企业，进而推动我国集成电路产业整体实力提高。从产业链环节来讲，扶持重点将是晶圆制造环节和芯片设计环节。在制程快速进步的时代，晶圆制造环节对上游芯片设计和下游封装测试都拥有很强的影响力，如果中国没有世界一流的晶圆厂，在晶圆制造环节依赖于人，那么也很难拥有世界一流的芯片设计和封装测试产业。二、国内智能卡IC产业发展中存在的关键技术问题与瓶颈未来几年，中国集成电路产业的发展前景光明，金融IC卡、移动支付大规模商用爆发，手机支付、网络支付等电子支付的快速普及，社保卡、健康卡、教育卡等电子证照类卡片的规模商用实施，加之国家对于集成电路产业的重点扶植，这都将给智能卡IC产业带来良好的发展机遇，但同时也对智能卡IC产业的技术提升提出了更高的挑战。当前国内智能卡IC产业尚存在如下的关键技术问题与瓶颈，尚待提升解决。1、国内智能卡IC产业的芯片工艺与国外工艺比相对落后国内智能卡方面，目前主流的EEPROM工艺还在0.18um，大唐微电子公司率先使用中芯国际0.13um工艺研发了双界面芯片并实现商用，但是总体看国内foundry工艺还是与NXP、ST等国际芯片企业使用的90nm工艺存在差距。在FLASH工艺方面，国内芯片现主要采用0.13um、0.11um工艺，而三星现在已采用80nm工艺，后续推进到45nm，NXP、英飞凌新产品也已采用90nm工艺，因此总体看国内foundry智能卡芯片工艺还落后于国际先进水平，这直接导致国内芯片的成本竞争力不强及性能提升相对受限。2、国内RF及配套PMU技术起步晚，技术水平待赶超。双界面芯片采用的ISO14443typeA标准由Philips(NXP)等半导体公司最先开发和使用，因此从产品的RF成熟度、机卡兼容性方面有其先发优势。经过近几年的奋起直追，国产芯片在非接RF方面已达商用要求，但是在机卡兼容性完善方面还有待不断提升，以在未来赶超世界先进水平。3、实现高性能条件下的低功耗系统设计技术水平有待提升随着智能卡业务与技术的快速发展，多应用芯片合一成为主流趋势。由于在手机、手持设备上使用，因此要求在性能提升的情况下，功耗却要求更低，以便延长手机等设备的待机时间。随着工艺的提高，芯片工作频率不断提高，芯片功耗不断增加，高功耗对集成电路设计的约束越来越大。目前在高端芯片设计中功耗约束排在性能之后名列第二;而手持设备中功耗约束已成为芯片设计的首要约束。4、指纹等生物识别传感器芯片水平有待提升生物识别技术，特别是指纹识别技术呈现快速发展趋势，但目前看，指纹传感器绝大多数采用FPC公司等国外技术，而指静脉传感器目前还只有日立、索尼等日本企业能提供，国内的指纹传感器芯片、指静脉传感器芯片还处于起步阶段，离国际先进水平还有不小差距。5、非接读卡器芯片、CLF芯片的性能和兼容性效果有待提升随着金融IC卡、一卡通卡、电子证件卡中双界面芯片的大量使用，对于非接/双界面读卡器的需求快速增长，但目前在金融等领域，读卡器中使用的非接读卡器芯片超过95%以上为国外芯片，国产芯片由于在电气性能、机卡兼容性方面的表现不佳，还远远落后于国外。随着移动支付NFC在手机终端中的大量使用，CLF芯片使用量将快速增长。由于CLF芯片需要支持读写器模式、P2P模式、卡模式三种模式，且需要有良好的低功耗设计及较好的各种POS等读写设备的兼容效果，所以设计与产品化难度较大，目前CLF芯片市场基本都采用NXP、ST等国外芯片，国内有少数CLF芯片但还未经批量商用验证，机卡兼容性、性能等方面还有待提升，国内多数芯片企业还未研发CLF芯片，而且后续随着CLF成为多数手机的标配，CLF芯片与手机基带芯片的合一也将成为主要趋势，因此国内芯片企业应加强此方面的技术提升。6、高速加解密协处理器技术有待提升随着信息安全要求的提升，在数据认证、数据传输、数据存储中加解密算法的使用越来越普遍，且随着RSA的1024位被破解，RSA算法已经要求使用2048位，甚至4096位，其他SM2等算法由于安全性提升的要求，也需要使用更高位数。这都给智能卡芯片的高速加解密提出了更高要求，算法速度的提升需要CPU使用更高的频率，并需要专用加解密协处理器，但手机等设备又要求低功耗，所以如何设计更高速度、更低功耗的加解密协处理器成为后续国产芯片要解决的关键技术问题之一。三、对国内智能卡IC关键技术发展趋势的思考从过往历史看，标志性事件的发生往往预示着未来产业发展的变革点与转折点。业务发展的需求会带动技术的进步，而关键技术难题的突破和提升也反过来会促进业务的发展。就国内智能卡IC产业的发展趋势看，国家将加大芯片制造工艺方面的重点投入，推动国内智能卡芯片工艺赶上国际先进工艺水平。同时，金融IC卡、移动支付卡的爆发式规模商用推广已势不可挡，而电子支付中的手机支付、网络支付以及互联网金融快速发展，将推动生物识别技术与手机安全环境技术、智能卡IC技术融合。国产芯片将在未来国家的信息安全中承担重任并在社保卡、健康卡、教育卡、其他电子身份证件中成为主流，这些都给国内智能卡IC技术的发展提出了更高要求。从业务推动技术发展的角度看，我认为未来国内智能卡IC产业关键技术将很可能出现如下发展趋势：1、工艺与设计结合的虚拟IDM成为IC产业技术竞争的关键一环从智能卡产业的历史发展可以看出，芯片的技术竞争力与芯片工艺、芯片设计能力两者直接相关，缺一不可。NXP、英飞凌、三星等国际芯片企业之所以能在芯片技术竞争中取得优势，与其都有自己的foundry先进工艺直接相关，其自有foundry芯片制造工艺的领先，使其产品成本、产品性能在产品竞争中处于有利地位。近几年国内芯片设计企业也认识到foundry工艺的重要性，并着手与国内主流foundry形成战略合作。如大唐电信成为国内第一大foundry厂中芯国际的第一大股东，着眼进行芯片制造工艺方面的战略合作。同方微电子公司也加大了与华虹宏力foundry厂的合作力度。未来的国内智能卡IC设计企业，谁能与国内的主流foundry厂形成战略合作，就将在产品技术竞争中取得先发优势。2、同等工艺水平下的IP整合设计能力、IP自有研发能力将成为产品技术竞争力的关键环节国内的主要foundry厂，如中芯国际、华虹宏力、和舰等，出于产能考虑，目前与各芯片设计企业都合作，所以国内智能卡IC设计企业经常出现同类产品采用同等工艺的情况，这种情况还将持续较长时间。因此，同等工艺水平下，各芯片设计商的IP整合设计能力、IP自有研发能力将成为产品差异性效果竞争、成本竞争的关键点。如芯片安全IP、RF射频IP、存储器IP、加解密协处理器等方面，各企业都有所不同，并成为其竞争的关键武器。3、智能卡芯片存储器要求更高安全、更稳定的技术升级，电信智能卡IC方面，M级大容量存储器SWP芯片将成为主流随着智能卡芯片制程工艺走进90nm以下，FLASH技术将得到更多应用，但是由于金融、行业应用对于存储器稳定性、安全性的高要求，EEPROM仍将是电子证卡类芯片的主流，即使未来部分使用FLASH工艺，也将与现有FLASH工艺有所不同，新型FLASH将要求有更长的使用年限和擦写次数支持，同时也将对一次写入不可修改等方面提出新要求。电信智能卡芯片方面，随着移动支付NFC手机终端的广泛使用，特别是中国移动、中国电信等运营商的专用定制手机的支持，加之SWP芯片