Bugün öğrendim ki: 12 inçlik bir yarı iletken yonga plakasının maliyetinin 19.000 dolar olduğu ve tek kullanımlık metro biletlerinde kullanılmak üzere yaklaşık 215.000 RFID çipi üretildiği belirtiliyor. Her çipin boyutu yaklaşık 0,5x0,5 mm.

---

Montreal metrosunu (Metroyı) kullanmak için, kağıt bileti turnstile'a (döner kapıya) okutmanız yeterlidir ve kapı açılır. Bilet NFC adı verilen bir sistemle çalışır, ancak içeride neler oluyor? Pil olmadan bilet nasıl çalışıyor? Turnstile ile nasıl iletişim kuruyor? Ve tek kullanımlık olması ve kullanımdan sonra atılabilecek kadar ucuz olması nasıl mümkün oluyor? Bu soruları yanıtlamak için bir bileti açtım ve içindeki küçük çipe baktım.

Aşağıdaki resim, yüksek büyütme altında bilet içindeki çipi göstermektedir. Köşelerdeki dört altın kare, antene bağlantılarıdır. Ten rengi çizgiler, çipin üstündeki metal kablolama katmanıdır; en kalın çizgiler anteni çipin diğer kısımlarına bağlar. Çipin büyük bir bölümünü kaplayan daha koyu bölge, çipin dijital mantığıdır. Sol tarafta, anten sinyalini işleyen analog devre bulunur.

Mikroskop altında MIFARE Ultralight çipi. (Daha büyük görüntü için bu resme (veya diğerlerine) tıklayın.)

Çip, NFC (Yakın Alan İletişimi) kullanır. NFC'nin temel fikri, bir okuyucunun (yani turnstile) ve bir NFC etiketinin (yani biletin) manyetik alanlar aracılığıyla kısa bir mesafede iletişim kurması ve verileri değiş tokuş etmesini sağlamasıdır. Okuyucu, etiketi hem güçlendiren hem de etikete veri gönderen bir manyetik alan üretir. Hem okuyucunun hem de etiketin bobin benzeri antenleri vardır, böylece okuyucunun manyetik alanı etiket tarafından algılanabilir. Biletinizi turnstile'a dokundurduğunuzda, NFC iletişimi bir göz kırpmasından daha hızlı olan 35 milisaniyede gerçekleşir. NFC etiketi tarafından sağlanan veriler, geçerli bir biletiniz olduğunu gösterir ve ardından metroya girebilirsiniz.

Aşağıdaki fotoğraf, basılı kağıttan yapılmış metro biletini göstermektedir. Sağda, bilette EMV çipli bir kredi kartı gibi altın renkli akıllı kart temas noktaları görünmektedir. Ancak, bu temas noktaları tamamen sahtedir, sadece kartın üzerine mürekkeple basılmıştır ve orada hiçbir çip yoktur. Muhtemelen üreticiler, kartı akıllı karta benzetmenin insanların anlamasına yardımcı olacağını düşündüler. Kart aslında tamamen farklı bir teknoloji kullanıyor.

Bir Montreal metro kartı. Bu kart ara sıra kullanım içindir ve tek kullanımlıktır. Düzenli seyahatlerde farklı bir çip içeren sert plastik bir kart kullanılır.

Metro kartı dışarıdan kağıttan yapılmış olsa da, çekirdeği aşağıda gösterilen ince bir plastik tabakadır. Levhada metal folyo katmanından yapılmış sarmal bir anten bulunur. Dikkatli bakarsanız, sağ altta antenin telinin iki tarafına bağlı küçük bir siyah NFC çipini görebilirsiniz. Sol üstteki çapraz metal şerit anteni bir döngüye dönüştürür; topolojik olarak, sarmal bir anten 2 boyutlu bir levha üzerinde çalışmaz, bu nedenle çapraz köprü devreyi tamamlar.

Anten ve metro kartının içindeki çip.

Çipin inanılmaz derecede küçük boyutunu vurgulamak istiyorum: 570 µm × 485 µm. Aşağıdaki fotoğraf, bir tuz tanesi büyüklüğünde olduğunu gösteriyor. Çip ayrıca son derece incedir - 75 µm veya 120 µm - bu nedenle biletin içindeki çipi hissedemezsiniz bile.

Tuz tanelerinin yanında çip. Bir tanesi çipi göstermek için yukarıdan, diğeri tuzu göstermek için aşağıdan aydınlatılmış iki resmi birleştirdim.

Çipin Fonksiyonları

Farklı işlev seviyelerine sahip birçok farklı NFC çip türü vardır. Bu çip, tek seferlik biletleme uygulamaları için tasarlanmış düşük maliyetli bir çip olan MIFARE Ultralight EV1'dir. Ultralight çipinin temel işlevi basittir: okuyucuya bir veri bloğu sağlamak. Çip verilerini küçük bir EEPROM'da saklar; bu çipin 48 bayt kullanıcı belleği vardır, diğer bir varyantının ise 108 bayt kullanıcı belleği vardır.

Ultralight çipi, daha gelişmiş çiplerde bulunan kriptografi desteğinden yoksundur. Ultralight, bir gösteri için indireceğiniz gibi, QR kodu veya barkodlu basılı bir biletten çok daha güvenli değildir. Verileri doğrulamak ve aynı biletin birden fazla kez kullanılmadığından emin olmak okuyucunun sorumluluğundadır.

Ancak, Ultralight çipi basılı bir biletin ötesinde birkaç özelliğe sahiptir. Çipler benzersiz 7 baytlık bir tanımlama kodu (UID) ile üretilir. Dahası, UID imzalanmış olup, sahte UID'lerin oluşturulmasını engeller. Çip ayrıca, parola korumalı bellek erişimini ve değişikliğin önlenmesi için bellek sayfalarının kilitlenmesini destekler. Parola şifrelenmeden iletildiğinden güvenlik zayıftır, ancak yoktan iyidir.

Çipin bir diğer ilginç özelliği de tek yönlü sayaçtır. Çipte, artırılabilen ancak azaltılamayan üç 24 bitlik sayaç bulunur. Sayaçlar, örneğin biletin belirli bir sayıda kullanılmasına izin vermek için kullanılabilir.

Çipi Fotoğraflama

Çipi fotoğraflamak için, çipi biletin içinden çıkarmak ve ardından çipi çıplak silikona kadar çıkarmak için birkaç adım attım. İlk olarak, çipi ve anteni içeren plastik levhayı kağıt biletin içinden çıkarmak için bileti suya batırdım. Bu, kağıdın plastik çekirdeği ortaya çıkaracak şekilde kazınabilecek bir lapaya dönüşmesine neden oldu. Ardından, çipi içeren küçük bir plastik kareyi kestim ve yaklaşık 30 saniye kaynar sülfürik aside koydum. Bu, plastiği ve yapıştırıcıyı kaldırarak silikon kalıbı bıraktı. (Kaynar asitlerden kaçınmaya çalışıyorum, ancak bu kadar küçük bir çipi işlemek sadece birkaç damla sülfürik asit gerektirdi ve riski en aza indirdi.)

Kalıp, yüzeyini korumak için bir pasivasyon tabakasıyla kaplıydı; veri sayfasına göre 1,1 µm kalınlığında bir silikon nitrür ve PSG (fosfosilikat cam) sandviçi. Çipin altındaki devre görünüyordu, ancak bu katman nedeniyle biraz bulanıktı. Pasivasyon katmanını birkaç dakika çipi fosforik aside kaynatıp çıkararak kaldırdım. Aşağıdaki resim, bu adımdan sonra çipi göstermektedir. Üst metal katman çok daha görünür, ancak metalin bir kısmı asit tarafından çözülmüştür. Kalın metal hatlar dört bağlama pedini analog devrenin çeşitli kısımlarına bağlarken, birçok ince dikey metal hat mantık devresinin birbirine bağlanmasını sağlar.

Pasivasyon katmanını çıkarmak için fosforik asit ile işlemden sonra kalıp. Çok daha büyük bir sürüm için tıklayın.

Ardından, oksit katmanını çözmek için Armour Etch ile birkaç işlem döngüsü ve metali çözmek için hidroklorik asit ile işlem uyguladım. Sanırım çipin silikonun üstünde üç metal kablolama katmanı vardı. Ne yazık ki, işlemim metal katmanları temiz bir şekilde çıkarmıyor, ancak bunların kaotik bir şekilde karışmasına neden oluyor. Devre katmanlarını katman katman izlemekle ilgilenmediğim için bu önemli bir sorun değildi.

Metal katmanları ve polisilikon çıkarıldıktan sonra, çıplak silikon kaldı. Bu noktada, çipin alt yapısı görünür durumda. Doping edilmiş silikon bölgeleri, transistörleri gösterir, ancak bu ölçekte son derece küçüktürler. Beyaz dikdörtgenler kapasitörlerdir. Çipin birçok nedenden dolayı kapasitörleri vardır: anten ile doğru rezonans frekansını üretmek, gücü filtrelemek ve şarj pompalarıyla voltajı yükseltmek.

Silikona kadar soyulmuş kalıp.

Bu çipi işlerken en büyük endişem onu kaybetmekti. Bu kadar küçük bir çipte, çipe vurmak veya hatta üzerine nefes almak çipi uçurabilir ve belki de bir daha asla görülmemesi olasıdır. Cımbızla çipi almak bile risklidir, çünkü kolayca fırlayıp kaybolabilir. Zerrelerin kayıp çip mi yoksa biraz kir mi olduğunu anlamaya çalışarak, inç inç zemini incelemek hiç eğlenceli değil. Çipi işlem ve mikroskop slaytı arasında hareket ettirmenin en iyi yolunun, çipi birkaç damla suya koymak ve bir pipetle hareket ettirmek olduğunu buldum. Yine de, çipin izini birkaç kez kaybettim ve hangisinin çip olduğunu ve hangilerinin kir olduğunu belirlemek için bazı zerreleri mikroskop altında kontrol etmem gerekti.

Çipin Genel Bakışı

Aşağıdaki blok diyagramı, çipin üst düzey yapısını göstermektedir. Solda, anten, yüksek frekanslı sinyalleri dijital verilere dönüştüren analog devre olan RF arabirimine bağlanır. Bu devre ayrıca çipi çalıştırmak için antenin sinyalinden güç de çeker.

Çipin büyük çoğunluğu, okuyucudan alabileceği 18 farklı komutu işlemek için dijital mantık içerir. Uyandırma veya Durdurma gibi bazı komutlar çipin durumunu kontrol eder. Okuma veya Yazma gibi diğer komutlar EEPROM depolamasına erişim sağlar. Özel Okuma_Sayacı ve Artır_Sayacı komutları çipin sayaçlarına erişir.

Çip, okuyucuya aynı anda sunulurlarsa birden fazla kartın çakışma olmadan okunmasına izin veren "zeki çakışma önleme işlevi"ne sahiptir. Bir çakışma tespit edilirse, okuyucu, tanımlama numaralarına göre kartları birer birer seçmek için standart bir NFC algoritması kullanır. Çakışma önleme algoritması çipin dört komutunu kullanır.

Son olarak, çip verilerini saklamak için bir EEPROM'a sahiptir. RAM'in aksine, EEPROM güç verilmediğinde bile verileri saklar; 10 yıl veri saklaması için tasarlanmıştır. EEPROM'a veri depolamak için, çipin kullandığı gerilimden daha yüksek bir voltajla yazılmalıdır. EEPROM arabirim devresi gerekli sinyalleri üretir.

Şema, işlevsel blokları etiketlenmiş çipi göstermektedir. Kalıbın büyük bir kısmı dijital mantıkla doludur; aşağıda standart hücre mantığıyla nasıl uygulandığını açıklayacağım. Üstte, bir depolama hücreleri karesi olan EEPROM bulunur. EEPROM'un sağında, voltajı anahtarlanmış kapasitörler aracılığıyla yükselten bir devre olan şarj pompası bulunur. EEPROM arabirim devresi EEPROM ve dijital mantık arasındadır.

Varsayılan işlevsel blokların etiketlenmiş, silikona kadar soyulmuş kalıp.

Çipin geri kalanı yorumlanması daha zor olan analog devreler içerir, bu nedenle etiketlerim biraz varsayımsaldır. Dört bağlama pedi, antenin çipe bağlandığı yerdir. İstenirse iki paralel anteni desteklemek için dört ped vardır. İlk kalıp fotoğrafı, bağlama pedleri ve RF transistörleri ve RF diyotları olarak etiketlediğim yapılar arasındaki metal kablolamayı göstermektedir. Sol üstteki "RF transistörleri" büyük, oval şekilli yapılardır. Bunlar, yükü değiştirerek okuyucuya veri gönderen transistörler olabilir. Alternatif olarak, Zener diyotlarının genellikle oval bir şekle sahip olması nedeniyle çipi çalıştıran voltajı düzenleyen Zener diyotları olabilir. Alttaki "RF diyotları", çip için güç üreten antenden gelen sinyali düzeltebilir. Düzeltilmiş sinyal ayrıca okuyucudan gönderilen dijital verileri çıkarmak için analog mantık tarafından demodüle edilir ve işlenir.

Etiketi okuyucuya veri gönderme: yük modülasyonu

Etiketi, antenden bir sinyal ileterek alıcıya veri göndermesini bekleyebilirsiniz. Ancak, bir sinyal iletmek güç gerektirir ve etiketin çok fazla gücü yoktur, sadece okuyucunun sinyalinden aldığı güç vardır. Bunun yerine, etiket okuyucuya veri göndermek için yük modülasyonu adı verilen zekice bir teknik kullanır. Fikir, etiket antendeki yükü değiştirirse, okuyucudan daha fazla veya daha az enerji emeceğidir. Okuyucu, bu değişikliği iletim antenindeki küçük bir voltaj değişiminde tespit edebilir. Böylece, etiket veriyi okuyucuya geri göndermek için yükünü dinamik olarak değiştirebilir. Yük modülasyonu ile üretilen sinyal son derece zayıf olsa da (iletilen sinyalden 80 dB daha az), okuyucu onu algılayabilir ve verileri çıkarabilir.

Daha ayrıntılı olarak, okuyucu 13,56 MHz taşıyıcı frekansta iletim yapar. Veri geri göndermek için, etiket yükünü 848 kHz'de (taşıyıcı frekansın 1/16'sı) açıp kapatarak okuyucunun sinyalinin üzerine bir alt taşıyıcı üretir. Bit iletmek için, bu yük modülasyonu saniyede 106 kilobit (modülasyon frekansının 1/8'i) iletmek için açılıp kapatılır. Okuyucu, sırayla, etikete ait veri bitlerini almak için bir filtreyle alt taşıyıcıyı çıkarır.

Bir NFC etiketi, direnç veya kapasitör olan bir yük uygulayabilir; bir direnç sinyali doğrudan emerken, bir kapasitör antenin rezonans frekansını ve dolayısıyla etikete aktarılan sinyal miktarını değiştirir. Kalıp birçok kapasitör içerir, ancak önemli dirençler görmedim, bu nedenle bu çipin yük için bir kapasitör kullandığından şüpheleniyorum.

Çipin Üretim Süreci

Aşağıdaki resim, kalıbın aşırı yakın çekimini göstermektedir. Kırmızı kutu, seri olarak beş MOS transistörü oluşturan doping edilmiş silikon bölgesini çevreler. Her koyu dikey çizgi bir transistörün kapısına karşılık gelir, bu nedenle bu çizginin genişliği özellik boyutuna karşılık gelir. Çipin özellik boyutunun 180 nm olduğunu tahmin ediyorum. Karşılaştırma olarak, görünür ışığın dalga boyu 400-700 nm'dir. Özellikler ışığın dalga boyundan daha küçük olduğundan, görüntünün bulanık görünmesi şaşırtıcı değildir.

Kalıbın, mikroskopumun sınırlarını zorlayan yakın çekimi.

180 nm işlem 1990'ların sonlarında popülerdi. Bununla birlikte, özellikleri birkaç nanometre olan son çiplerle karşılaştırıldığında bu özellikler çok büyüktür. MIFARE Ultralight EV1 çipi piyasaya sürüldüğünde (Ekim 2012), en yeni yarı iletken üretim süreci 22 nm idi, bu nedenle kullandıkları 180 nm süreç o zaman bile eskiydi.

Ancak, çipin birkaç nedenden dolayı daha eski bir işlemle üretilmesi mantıklıdır. İlk olarak, çipin alanının büyük bir kısmı analog devreler ve dört bağlama pedi tarafından işgal edilmiştir, bu nedenle dijital mantığı küçültmek genel boyutu çok azaltacaktır. Ayrıca, önemli ölçüde daha küçük bir çipi antene takmak pratik olmayacaktır; mevcut çipi takmanın bile zahmetli olduğunu tahmin ediyorum. Son olarak, bu çip son derece düşük maliyetli (yani tek kullanımlık) pazar için tasarlanmıştır, bu nedenle çip mümkün olduğunca ucuza üretilmektedir. Daha modern bir işlemle, bir gofrette daha fazla çip sığacak, fiyat düşecek, ancak her gofretin üretimi daha pahalı olacak, bu nedenle bir takas vardır.

Standart Hücre Mantığı

Çipin dijital devresi, dijital mantığı uygulamanın yaygın bir yolu olan standart hücre mantığı ile uygulanmıştır. Standart hücre mantığının arkasındaki fikir, istenen mantığın bir açıklamasından çip düzenini oluşturmak için otomatik araçlar kullanmaktır. İşlem, standart hücrelerin bir kitaplığıyla başlar. Her hücre, bir NAND kapısı veya bir flip-flop gibi basit bir devrenin standartlaştırılmış bir uygulamasıdır. Hücreler, sabit bir yüksekliğe sahip olacak ve sıralara yerleştirilebilecek şekilde tasarlanmıştır. Ardından, istenen devreyi üretmek için hücrelerin üstüne metal kablolama ile bağlanır. Ortaya çıkan devre tamamen özelleştirilmiş ve optimize edilmiş bir düzen kadar yoğun ve verimli olmasa da, standart hücre mantığı elle ayarlanmış bir düzen tasarlamadan çok daha hızlıdır (ve bu nedenle daha ucuzdur). Bu nedenle, standart hücre mantığı 1980'lerden beri entegre devre tasarımında yoğun bir şekilde kullanılmıştır.

Aşağıdaki fotoğraf, standart hücre mantığı ile uygulanmış dört kapı satırını göstermektedir. Çip (çoğu modern çip gibi) CMOS mantığı kullanır ve her mantık kapısı iki tip transistörden oluşur: NMOS ve PMOS. Üretimi basitleştirmek için NMOS ve PMOS transistörleri ayrı satırlara yerleştirilmiştir. Bu nedenle, her mantık satırı üstte bir PMOS transistör satırı ve altta bir NMOS transistör satırı veya bunun tersi içerir. Yarı iletkenlerin fiziği nedeniyle, PMOS transistörleri daha büyüktür, bu da transistör tiplerinin görüntüde ayırt edilmesini sağlar.

Standart hücre mantığının yakın çekimi.

Bazı hücrelere bakıp ekstrapolasyon yaparak, mantık bölümünde yaklaşık 8000 kapı ve yaklaşık 45.000 transistör olduğunu tahmin ediyorum. Bir soru, çipin donanımsal olarak kodlanmış bir durum makinesi olarak mı uygulandığı yoksa bir işlemci (mikrodenetleyici) içerip içermediğidir. Transistör sayısı, 8051 gibi basit bir mikrodenetleyiciyi uygulamak için neredeyse yeterlidir, ancak bu diğer gerekli devreler için fazla transistör bırakmaz. Bir mikrodenetleyici varsa, bir yerde depolanan yazılıma ihtiyaç duyar. Protokolün sadeliği ve nispeten az sayıda transistör göz önüne alındığında, tahminim çipin bir mikrodenetleyici yerine donanım (durum makineleri ve sayaçlar) ile uygulanmasıdır.

Aşağıdaki diyagram, standart bir hücrenin 2 girişli bir NAND'i nasıl uyguladığını göstermektedir. (Bu hücre Intel 386'dan, NFC çipinden değil, ancak yapılar benzerdir.) Hücre dört transistör içerir. Sarı bölge, iki PMOS transistörü oluşturan P tipi silikondur; transistör kapıları, polisilikonun (kırmızı) sarı bölgeyi geçtiği yerdir. (Ortadaki sarı bölge her iki transistör için de drenaj görevi görür; transistörler arasında ayrık bir sınır yoktur.) Benzer şekilde, iki NMOS transistörü altta, polisilikonun (kırmızı) aktif silikonu (yeşil) geçtiği yerlerde bulunur. Mavi çizgiler hücre için metal kablolamayı gösterir. Siyah daireler, metal ve silikon veya polisilikon arasındaki bağlantılardır. Son olarak, kuyu muslukları, alttaki silikon kuyusuna veya alt tabakaya bağlanmış zıt tip silikondur ve doğru voltajda tutulmasını sağlar.

Intel 386'daki bir NAND için standart bir hücre.

EEPROM

Çip, flaş belleğe benzer bir EEPROM'da verilerini depolar. Çip, parça numarasına bağlı olarak 640 veya 1312 bit EEPROM sağlar; her iki sürümün de aynı EEPROM uygulamasını kullandığını düşünüyorum, ancak daha ucuz sürüm kullanılabilir miktarı sınırlar. EEPROM'un aşağıda gösterilen matris olduğunu, sağda ve altta satır ve sütun sürücü devresi olduğunu düşünüyorum. (Çapraz çizgiler, çipi işlerken kazayla oluşan çiziklerdir.)

Kalıp üzerindeki varsayılan EEPROM devresinin yakın çekimi.

Fotoğrafta, EEPROM 64 × 64'lük bir ızgara gibi görünüyor, reklam edilen 1312 bit yerine 4K bit depolama. Bunun birkaç olası açıklaması var. İlk olarak, kapasiteyi yanlış sayıyor olabilirim (hücre yapısına bağlı olarak 2 faktörüyle yanılmak kolaydır). İkinci olarak, çip EEPROM bellek haritasında yansımayan verileri depolar; örneğin, tek yönlü sayaçlar ve UID imzası EEPROM depolama sayısına dahil değildir. Başka bir olasılık, ekstra EEPROM alanının bir mikrodenetleyici için kod içermesidir (çipte varsa).

Bir EEPROM'un, bir bit için elektronları depolama hücresine zorlamak için nispeten yüksek bir voltaj (10-20V) gerekir. Bu voltaj, voltajı yükseltmek için kapasitörleri yüksek frekansta değiştiren bir şarj pompası devresi tarafından üretilir. EEPROM'un sağında, muhtemelen şarj pompası olan birkaç büyük kapasitöre sahip bir devre vardır.

Sonuçlar

Bu NFC çiplerinin tek kullanımlık olacak kadar ucuza üretilebilmesi dikkat çekicidir. Fiyatı düşük tutmak için çipler gofret halinde satılır ve ardından biletlere monte edilir. Digikey'den çipli sekiz inçlik bir silikon gofret 9000 dolara satın alabilirsiniz. Tek bir gofretin şaşırtıcı bir şekilde 100.587 çip sağladığını fark edene kadar bu pahalı görünebilir, bu da çip başına dokuz sentlik bir fiyat verir. Veri sayfasına göre, bir gofret gofret başına 103.682 potansiyel iyi kalıp (PGDW) içerir. Elbette bazı kalıplar hatalı olacaktır, bu nedenle gofret, hangilerinin iyi olduğunu söyleyen bir dosyayla birlikte gelir, bunların %97'si. (Tipik bir çipin üretimi sırasında, hatalı olanlar bir mürekkep noktasıyla işaretlenir. Ancak bu durumda işe yaramaz, çünkü her kalıp bir mürekkep noktasından çok daha küçüktür.) Daha fazla çipe ihtiyacınız varsa, 215.712 çip sağlayan 12 inçlik bir gofreti 19.000 dolara satın alabilirsiniz. Bir bilet üreticisi her çipi bir anten şeridine monte eder ve ardından birkaç sent ekleyerek bileti basar. Sonuç, bir kez kullanılabilir ve atılabilir ucuz bir bilettir.

Son bir kalıp fotoğrafıyla bırakacağım sizi. Çipi işlemedeki ilk denememde, Armour Etch ile işlem uyguladım. Pasivasyon katmanını çıkarmayı başaramamış olsa da, ince film girişiminden dolayı bazı vahşi renkler üretmek için yeterince inceletmişti. Buna "bağlama boyası" diyorum.

Armour Etch ile işlemden sonra kalıp.

Daha fazlası için beni Twitter'da @kenshirriff veya RSS'te takip edin. Ayrıca Mastodon'da oldbytes.space@kenshirriff olarak da bulunuyorum. Bu tür çiplerle ilgileniyorsanız, birkaç yıl önce iki RFID yarış zamanlama çipi olan Monza R4 ve Monza R6'ya baktım.

Notlar ve referanslar