Let the skyfall
When it crumbles,
We will stand tall
And face it all...
Прошло достаточно много времени с момента публикации последней статьи из всем полюбившейся (по крайней мере, я на это очень надеюсь) серии «Взгляд изнутри» — больше полугода. Не то, чтобы не было, о чём написать или рассказать, просто одолели дела, которые станут предметом одной из следующих моих статей на Хабре (надеюсь, что её не отправят в утиль, так как посвящена она будет не совсем ИТ-тематике). А пока есть свободная минуточка, давайте разберёмся, что же такое RFID (Radio-frequency identification) – к ним примкнут более простые метки – или как один небольшой шаг в технологиях круто изменил жизнь миллионов и даже миллиардов людей по всему миру.
Предисловие
Сразу хотелось бы оговориться.
Перед началом работы над этой статьёй, я очень надеялся, что по микрофотографиям, а особенно по оптике, информации, найденной на просторах Интернета, и некоторому багажу знаний от прошлых публикаций удастся определить, где и какие элементы микросхемы находятся. Хотя бы на «бытовом» уровне: мол, вот это — память, вот это — схема питания, а вот тут происходит обработка информации. Действительно, казалось бы, RFID – простейшее устройство, самый простейший «компьютер», который только можно придумать…
Однако жизнь внесла свои коррективы и всё, что удалось мне найти: общая схема устройства нового поколения меток, фотографии того, как, например, должна выглядеть память – даже не знаю, почему я не уделил этому внимание в статье про RAM (может быть ещё представится возможность исправиться?!), ну и скандалы-интриги-разоблачения процессоров A5 от chipworks.
Часть теоретическая
По традиции начнём с некоторой вводной части.
RFID
История технологии радиочастотного распознавания – пожалуй, именно так можно назвать все мыслимые и немыслимые варианты RFID (radio-frequency identification) – уходит своими корнями в 40-ые года XX века, когда в СССР, Европе и США активно велись разработки вообще любых видов электронной техники.
В то время, любое изделие, работающее на электричестве, было всё ещё в диковинку, так что перед учёными лежало не паханое поле: куда не ткни, как в Черноземье, черенок от лопаты – вырастет дерево. Судите сами: свои законы Максвелл предложил всего-навсего полвека назад (в 1884 году). А теории на основе этих уравнений стали появляться спустя 2-3 десятилетия (между 1900 и 1914), в том числе и теории радиоволн (от их открытия, до моделей модуляции сигнала и т.д.). Плюс подготовка и ведение второй мировой войны наложили свой отпечаток на данную область.
В результате к концу 40-х годов были разработаны системы распознавания «свой-чужой», которые были несколько побольше, чем описанные в данной статье, но работали фактически по тому же принципу, что и современные RFID-метки.
Первая демонстрация близких к современных RFID была проведена в 1973 году в Исследовательской Лаборатории Лос Аламоса, а один из первых патентов на подобного рода систему идентификации получен спустя десятилетие – в 1983 году. Более подробно с историей RFID можно ознакомиться на Wiki и некоторых других сайтах (1 и 2).
Статья на английском мне нравится больше, из неё можно подчерпнуть массу полезной информации по использованию, стоимости производства, стандартам и т.д. и т.п.
В принципе, любая RFID метка состоит из двух основных компонентов – антенны и микрочипа. Антенна нужна для улавливания электромагнитных волн передатчика (или считывателя), превращения их:
а) в сигнал,
б) в электроэнергию для питания самого чипа, т.е. выполнения некоторых операций, и
в) передачи ответного сигнала.
Это в случае пассивных меток. Обычно такие метки относительно «просты» в изготовлении и используются в основном в картах идентификации, когда расстояние между меткой и передатчиком минимально. Самый простой пример, который будет подробно ниже разобран – карта метро, которой точно каждый день пользуется – даже подумать страшно – несколько миллионов человек только в Москве.
Красивая картинка, иллюстрирующая распределение электромагнитного поля в антеннах считывателя и самой карты (Источник)
Активные метки за счёт встроенной батарейки имеют существенно больший радиус работы, габариты, более сложную «начинку» (можно дополнить метку термометром, гигрометром, да хоть целый чип GPS-позиционирования) и соответствующую цену.
Классифицировать метки можно по-разному: по рабочей частоте (LF – низкочастотные ~130КГц, HF – высокочастотные ~14MГц и UHF – ультравысокочастотные ~900МГц), по типу памяти внутри метки (только чтение, однократно записываемая и многократно записываемая). Кстати, так любимый всеми производителями и продвигаемый NFC относится к HF диапазону, который имеет ряд хорошо известных проблем.
Пожалуй, на этом мы закончим с теорией RFID, тем более, что она, как мне кажется несколько скучновата, а кому интересны самые пикантные подробности из жизни RFID-меток – добро пожаловать!)
Прочие метки
К сожалению, стоимость RFID-меток по сравнению с другими видами идентификации довольно высока, поэтому, например, продукты питания и прочие «ходовые» товары мы по-прежнему покупаем с помощью баркодов (или штрих-кодов), иногда QR-кодов, а защиту от краж обеспечивают так называемые противокражные метки (или EAS – electronic article surveillance)
Самых распространённых три вида (все фото взяты с Wiki):
- электромагнитные системы (обычно используются при продаже книг, их вклеивают где-нибудь между страниц у корешка)
- акустомагнитные системы
- радиочастотные системы (обычно ими, или их аналогами в пластике с защёлкой снабжают одежду и бутылки элитного алкоголя, например)
Впереди нас ждёт много чудных открытий, подчас совершенно неожиданных и конечно же hard geek porn в формате HD!
Если кому-то показалось мало теории, добро пожаловать на данный англоязычный сайт.
Часть практическая
Итак, какие метки удалось найти в окружающем нас мире:
Левый столбец сверху вниз: карта московского метро, проездной аэроэкспресс, пластиковая карта для прохода в здание, RFID-метка, представленная компанией Перекрёсток на выставке РосНаноФорум-2011. Правый столбец сверху вниз: радиочастотная EAS-метка, акустомагнитная EAS-метка, бонусный билет на общественный транспорт Москвы с магнитной полосой, RFID-карта посетителя РосНаноФорума содержит даже две метки.
Первой заявлена карточка московского метрополитена – приступим.
В круге первом. Билет московского метрополитена
Сначала вымачиваем карту в обычной воде, чтобы удалить бумажные слои, скрывающие самое сердце данной «метки».
Раздетая карта московского метрополитена
Теперь аккуратненько посмотрим на неё при небольшом увеличении в оптический микроскоп:
Микрофотографии чипа карты для прохода в московский метрополитен
Чип закреплён довольно основательно и хочу обратить внимание, что все 4 «ноги» присоединены к антенне – это нам пригодится далее для сравнения с другой RFID-меткой. Сложив пластиковую основу пополам в месте, где находится чип, и слегка покачав из стороны в сторону, он легко высвобождается. В итоге имеем чип размером с игольчатое ушко:
Оптические микрофотографии чипа сразу после отделения от антенны
Что ж, поиграемся с фокусом:
Изменение положения фокуса с нижнего слоя на верхний
В своей статье, посвящённой «вскрытию» чипов коллега BarsMonster использовал горячую кислоту для выжигания всякой органики на поверхности чипов. Я был с ними чуть более ласков и кипятил в ацетоне (с обратным холодильником, конечно).
NB! Крайне не советую все эти садо-мазохистические действия повторять дома. У BarsMonster есть «полигон», у меня – вытяжной шкаф в лаборатории.
Вуаля, поверхность очищена, последний слой металлизации не пострадал, а рядом лежит та самая полимерная «кожура»:
Очищенный чип и полимерная основа, которая крепко удерживает чип на пластиковой карте
Теперь попробуем заняться травлением. Пространство между контактами и слоями металлизации должно быть разделено диэлектриком, например, аморфным диоксидом кремния. Следовательно, для травления возьмём плавиковую кислоту или HF. Приготовим не сильно концентрированный раствор и приступим.
После выдержки в течение 1 минуты в данном растворе вооружённым электронным микроскопом глазом трудно заметить какие-либо значительные изменения:
Микрофотографии травления чипа в HF через 1 минуту
Кстати, очень показательное фото. На нём хорошо проявляется эффект зарядки и по такому контрасту (заряжается/не заряжается) можно с лёгкостью отличать отдельные частицы микросхемы друг от друга.
Увеличим время ещё на 2 минуты. Так как в ходе травления желательно слегка перемешивать раствор, чтобы травление было более-менее равномерным, то сначала «отлетают» самые тяжёлые части:
Микрофотография площадки для крепления к антенне, оторванной от чипа
Взглянем под другим углом
А вот и само место крепления площадок. Кое-где штырьки вырваны, а кое-где остались нетронутыми:
О размерах. Толщина металлического напыления в чипе может составлять от 20-30 нм до 100-150 нм, при этом расстояние между слоями металлизации, судя по представленным выше фотографиям, составляет около 950 нм. Получается, что очень тонкие и напряжённые (это связано с условиями нанесения данных проводников) «плёнки» металлов стоят на массивных «бочка», поэтому, когда кислота разъедает несущую основу – диоксида кремния, то плёнки стараются снять напряжение, а массивные контакты между слоями металлизации «падают» на освободившееся пространство под ними. Именно размеры элементов и некоторые ограничения экспериментов не позволяют аккуратно вытравить диэлектрик и посмотреть 3D-сетку проводников между отдельными элементами чипа.
Иногда наука превращается немного в искусство, например, таким образом:
Наноскамеечка…
Выдержим ещё пару минут в плавиковой кислоте (суммарно уже 5 мин). Пейзаж начинает разительно меняться – всё больше частей покидают свои места. Наступает анархия:
Общий вид на чип после суммарно 5 минут травления
По мимо всего прочего, мы выдерживаем чип в кислоте, а значит, хотим мы этого или нет, но металл будет взаимодействовать с кислотой, постепенно растворяясь. Как было показано в статье про матрицы фотоаппаратов с помощью EDX-анализа, производители крайне не любят раскошеливаться на золото и используют более дешёвый алюминий. Казалось бы, что на поверхности такого металла должна формироваться оксидная плёнка, однако, из-за технологии производства внутри чипа находится практически чистый алюминий.
Через ещё 2 минуты выдерживания в кислоте начинает проявляться другая особенность процесса травления – равномерность. Удаляется постепенно слой за слоем одинаково по всей поверхности, а это значит, что места, где контактируют два слоя металлизации, протравливаются так же, как остальная поверхность. В результате мы имеем «бублики» вокруг контактов:
«Бублики» вокруг контактов между слоями металлизации
Другое наглядное тому доказательство – «выбитые» целые контактные группы:
Выкорчёвываем контактные группы…
Растворитель проникает вовнутрь этих дырок, как мы помним чуть-чуть подрастворяет металл и вытравливает пространство по отдельным слоям металлизации – примерно так:
Микрофотография протравленного чипа, демонстрирующая два отдельных диэлектрика с полостью между ними
С другого ракурса, чтобы не оставалось сомнений, – это действительно два разных слоя диоксида кремния, а под, между, над и вокруг них — слои металлизации
Другое забавное открытие – три вывода, которые, по всей видимости, при тестировании чипов на пластине после окончания производственного цикла для отбраковки:
Три «тестовых» вывода с чипа
Так как после выставки на Фестивале Науки 2012 в здании Фундаментальной Библиотеки МГУ, тянет на искусство, то не могу себе отказать в удовольствии поделиться с вами нанотетрисом:
Поиграем в тетрис?
И нанесём решительный удар по данному чипу, поместив его в раствор для травления ещё на 7 минут (итого, 14 минут с начала эксперимента, которые растянулись практически на целый день работы;) ). На поверхности остался лишь первый слой металлизации, за ним уже начинаются стоки, истоки и затворы:
Во всём беспорядке можно найти и порядок – чем вам последняя фотография не новая эмблема для Хабра?
Первый, основной слой металлизации, за которым только транзисторы…
Что ж, взглянем в ретроспективном виде на то, какой путь мы проделали в деле травления чипа:
Общие микрофотографии, иллюстрирующие ход процесса травления
Ах, да, я же обещал geek porno в формате HD. Благодарим за это BarsMonster и его длиннофокусный микроскоп:
Картинка кликабельна — HD
Теперь немного интриг.
Ходят слухи, что Микрон разрабатывает и производит чипы для московского метро собственного силам по сходной технологии Mifare (как минимум, различается крепление к антенне – ножки другой формы). 22 августа BarsMonster
Рассмотренный выше билет, по всей видимости, изготовлен (или только смонтирован на антенну?) на предприятии Микрон (г. Зеленоград) — см. ссылки ниже — по технологии известной в RFID-кругах фирмы NXP, о чём собственно недвусмысленно намекают 3 огромные буквы и год выпуска технологии (а может и год производства) на верхнем слое металлизации чипа. Если полагать, что 2009 относится к году запуска технологии, а аббревиатуру CUL1V2 расшифровать как Circuit ULtralite 1 Version 2 (данное предположение также подтверждается этой новостью), то на сайте NXP можно найти подробное описание данных чипов (последние две строки в списке)
Кстати, в прошлом году для участников Интернет-олимпиады по Нанотехнологиям была организована экскурсия на завод Микрон (фото- и видеоотчёты), поэтому говорить, что там оборудование простаивает смысла нет, но и заявление «дядечки в белом халате», что производят они метки по стандартам 70 нм, я бы поставил под сомнение…
Согласно статистике, собранной BarsMonster после анализа чипов 109 билетов метро (довольно репрезентативная выборка), согласно нормальному распределению шансы найти «необычный» билет ~109^1/2 или около 10%, но они тают с каждым вскрытым билетиком…
На сайте англоязычной Wiki есть прелестная статья, посвящённая Mifare, где представлен не полный, но довольно обширный список того, где и какие типы данных меток используются.
В круге втором. Билет Аэроэкспресса
На очереди билет, которым пользуются многие, отправляясь в другие города нашей необъятной Родины или за рубеж через воздушные ворота Москвы, Сочи или Владивостока (по-моему, только в этих трёх городах нынче есть Аэроэкспресс).
Так как чип практически ничем не отличается от Mifare, который используется в московском метро, то начнём с hardcore:
Фокус на первом слое металлизации (Картинка кликабельна — HD)
Фокус на последнем слое металлизации (Картинка кликабельна — HD)
Внимательный взгляд уже приметил главное отличие двух чипов Mifare – надпись Philips2001. В самом деле, в далёком 1998 году компания Philips купила американского производителя микроэлектроники – Mikron (не путать с нашим, зеленоградским Микроном). А в 2006 году от Philips отпочковалась компания NXP.
Также несложно заметить пометку CLU1V1C, что, исходя из вышеописанного, означает Circuit ULtralite 1 Version 1C. То есть эта метка является предшественницей Mifare, используемой московским метрополитеном, а, следовательно, совместима с ней по основным параметрам. Однако, как и в предыдущем случае 2001 – это указание на год разработки и внедрения технологии или год производства. Странно, что Аэроэкспресс использует устаревшие метки…
В круге третьем. Пластиковая карта
Как-то раз, решил я одной своей знакомой показать статьи и фотографии на Хабрахабре. После чего спросил, а есть ли у неё какая-нибудь ненужная карта для следующей статьи про RFID. Она к тому времени как раз перебралась учиться в EPFL и подарила мне карточку, по которой осуществляется проход в одно из зданий МГУ. Карта, соответственно, без какой-либо маркировки, и я даже не уверен, что на ней записано хоть что-то, кроме обычно ключа для прохода в здание.
Карточка полностью пластиковая, поэтому сразу кладём её в ацетон буквально на пару десятков минут:
Принимаем ацетоновые ванны
Внутри всё довольно стандартно – антенна да чип, правда, он оказался на маленьком кусочке текстолита. К сожалению, без каких-либо опознавательных знаков – типичный китайский noname. Единственное, что можно узнать об этом чипе и карте, что они изготовлены/относятся к некоторому стандарту TK41. Таких карт полно на распродажах типа ali-baba и dealextreme.
Картинка кликабельна — HD
В круге четвёртом. Перекрёсток
Далее я хочу рассмотреть две метки, представленные на выставке РосНаноФорум 2011. Первую из них представили с большим пафосом, сказав, что это чуть ли не панацея от воров и краж в магазинах. Да и вообще, данная метка позволит полностью перевести магазины на самообслуживание. К сожалению, эффективный менеджер оказался чуть более, чем полностью некомпетентен в вопросах школьной физики. И после предложение проверить эффективность его и метки с помощью сильного магнита, приложенного к метке, быстро замял тему…
После пары покупок в SmartShop, у меня в распоряжении осталось несколько меток. Очистив одну из них от клея и белого защитного слоя видим следующее:
Новая метка сети магазинов «Перекрёсток»
Поступаем так же как и Mifare аккуратно отсоединяем от полимерной основы и антенны и кладём на столик оптического микроскопа:
Оптические микрофотографии метки, предполагаемой к использованию в SmartShop
По счастливой случайности (то ли клей подкачал, то ли так задумано), метку удалось оторвать от основы быстро, а поверхность её осталась без каких-либо следов клея. Хотелось бы обратить внимание, что если у Mifare все 4 контакта прикреплены к антенне (по 2 контакта на каждый её конец), то здесь мы видим, что два контакта присоединены к двум небольших площадкам, которые не контактирую с антенной.
Немножко поиграем с фокусом в разных частях метки:
Меняем фокусировку…
Максимальное увеличение оптического микроскопа
На последнем фото слева вверху, по всей видимости, запечатлён модуль EEPROM памяти, так как он занимает около трети поверхности чипа и имеет «регулярную» структуру.
Картинка кликабельна — HD
Данный производитель меток усиленно скрывает их происхождение. Согласитесь, размер это ремарки «Р5 Alien» в разы меньше, чем надпись «NXP» или «Philips». Мне это напоминает лёгкий троллинг со стороны Samsung, который был замечен ребятами из chipworks после вскрытия Galaxy S и назван «silicon art»:
Но вернёмся к нашей метке. Поиски в Интернете привели к двум сайтам – Wiki и самого производителя Alien Tech. Немного побродив по сайту компании, очень быстро находится тип метки — Higgs 3 и полная спецификация на него.
Higgs 3 относится к стандарту EPC gen2. Подробнее всегда можно ознакомится на тут.
В круге пятом. Метки, использованные в бейджах РосНаноФорума
На сладкое я приберёг метки, которые были использованы для идентификации на РосНаноФорум в 2011 году. Как видно из представленной ниже фотографии, бейджик не простой, а имеет две метки – одна на виду (узкая в самом низу), а вторая спрятана внутри.
К сожалению, большая метка – обычный Mifare, абсолютно такой же, какой используется в московском метрополитене, а вот маленькая – несколько отличается от всего, что мы видели ранее:
Картинка кликабельна — HD
Это RFID-метка от NXP, но другого стандарта, нежели Mifare и гораздо меньше, и выпущена в 2007 году. Название, которое читается справа – t5(S?)L35(S?)10V0(O?)E. Но расшифровать его не получилось…
Бонус
1. Да, мы совсем забыли про магнитную карту, используемую для оплаты проезда в общественном транспорте г.Москвы – исправляюсь:
Светлыми точками на нижней фотографии могут быть как раз частицы магнитного материала, используемого для записи информации на карту.
2. Два слова о NFC. Летом вышла довольно интересная статья о развитие NFC в России, правда, на частоте 2,4 МГц.
3. Кстати, магазин на RFID уже открыт — можете опробовать…
PS: Автор выражает благодарность пользователю BarsMonster, которого, кстати, ещё можно поздравить и с успешным переводом статьи на английский язык, что Вашему покорному слуге ещё только предстоит сделать… а их ещё с десяток – OMG!
PPS: Не так давно была опубликована статья на сайте 3DNews, посвящённая изучению дисплеев различных топовых и не очень устройств. Если ещё не решились с выбором смартфона — то вам точно сюда…
Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:
Вскрытие чипа Nvidia 8600M GT, более обстоятельная статья дана тут: Современные чипы – взгляд изнутри
Взгляд изнутри: CD и HDD
Взгляд изнутри: светодиодные лампочки
Взгляд изнутри: Светодиодная промышленность в России
Взгляд изнутри: Flash-память и RAM
Взгляд изнутри: мир вокруг нас
Взгляд изнутри: LCD и E-Ink дисплеи
Взгляд изнутри: матрицы цифровых камер
Взгляд изнутри: Plastic Logic
Взгляд изнутри: RFID и другие метки
Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 1
Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 2
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 2
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 3
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 4
и 3DNews:
Микровзгляд: сравнение дисплеев современных смартфонов
Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.
В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»
Yandex.Money 41001234893231
WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)
Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале — милости просим;)
