有些電子識別文檔(ID documents)採用傳統的安全接觸式智慧卡技術，而接觸式智慧卡技術與射頻識別(RFID)技術融合後，許多新應用都使用了雙重介面或非接觸式智慧卡。顧名思義，接觸式智慧卡以讀卡器與智慧卡8針的接觸點間的物理接觸通訊，進而獲取處理能力；而非接觸式智慧卡的供電及通訊都是透過射頻(RF)訊號來完成。為了建立安全e-passports，多數的智慧卡廠商改進其現有的接觸式智慧卡設計，加入RF類比前端電路(AFE)。這種AFE電路既為智慧卡供電，也是與使用ISO/IEC 14443標準無線介面協定的射頻讀卡器間的通訊介面。所以，現在的非接觸式智慧卡(如e-passports的)都採用原有的技術架構，老架構的初始設計需求既不需要被動電源管理，也不要求RF通訊速度。
雖然這些智慧卡架構實現了第一代電子識別應用，但其對晶片的讀寫速率較低，用於供電和通訊的RF連接效果也不太好。這降低了電子憑證產生的吞吐量和品質及現場讀取的效果。新推出的針對e-passport及其它電子識別產品的非接觸式射頻晶片技術有多種優勢。它們可以建置最新的微控制器和RF技術，而僅消耗超低功耗，並具有快速的儲存與較高的安全性。下一代的智慧卡將有較快的資料寫入速度及事務讀取時間，以最佳化文檔發佈及個人化時間，滿足新的安全需要，以及實現未來電子標籤的新應用等。
EEPROM與快閃記憶體記憶體：使用廣泛，但功能有限
當前電子識別文檔的性能與功能受限於IC中所用的記憶體。此類晶片所採用的主要記憶體是電可擦可程式唯讀記憶體(EEPROM)或快閃記憶體。快閃記憶體是EEPROM的一種形式，可對儲存單元中的段(而不是位元組)進行擦除或重新編程。
與FRAM相似，EEPROM與快閃記憶體都是非揮發性記憶體技術，即在斷電後不後丟失儲存的資料。與FRAM不同的是，EEPROM與快閃記憶體採用浮閘電荷儲存方式，將電子加到由氧化物絕緣體隔離的多晶矽浮閘上。為了可靠地產生和儲存資料，需要有較厚的氧化物層(80Å至100Å)，這就需要有10V到14V的高電壓來嵌入電荷。為了在IC中產生這個高電壓，需要添加耗能較多、且佔用空間的電路，如電晶體與電荷泵。有原來的接觸式智慧卡架構中，電源透過線路進行連接。在被動式非接觸式智慧卡中，所需電源較低，只需透過無線訊號產生即可。透過使用浮閘 EEPROM和快閃記憶體技術，被動非接觸式IC需要較長的事務時間來寫入資料。節能的記憶體技術可縮短事務時間 ，並且只用有限的RF被動電源即可工作。
原有高電壓電路的另一缺點是不能輕易地升級到更微型制程的IC製造技術。EEPROM和快閃記憶體記憶體需要專門設計的高電壓電晶體，這使縮小尺寸更為困難，在技術上也無法實現，限制向體積更小的IC製造技術的升級。
透過將電荷加到浮閘上，而向EEPROM和快閃記憶體記憶體寫入資料的編程過程，限制了智慧卡的寫入次數。採用現場資料寫入的未來ID應用會需要遠遠超過EEPROM和快閃記憶體所支援的寫入次數。
先進的FRAM：特點與優勢
FRAM是一種類似於EEPROM的非揮發性記憶體技術，但其相似點僅限於此。FRAM採用含有微小的鐵電晶體的電容器。雖然“ferro”表示鐵的意思，但FRAM中卻不含有任何鐵。鐵電晶體是一種與電場相關的介電現象，因而沒有鐵造成的磁擾敏感性或中斷問題。與EEPROM和快閃記憶體中採用的複雜的電荷儲存機制相反，FRAM使用鐵電晶體中快速穩定的電偶極子來儲存資訊。鐵電晶體中的原子偶極有正負方向(參見圖1)。
為了刷新或寫入新資料到FRAM記憶體單元，偶極可透過一個施加的電壓到位線或板線容易地正向或負向排列。偶極在不到1奈秒 (<1ns)的時間內迅速地反轉，實現了對記憶體的快速讀取與寫入。偶極的方向變化非常快。因此，寫入FRAM設備比EEPROM及快閃記憶體設備的時間短得多。FRAM記憶體單元可以在不到50奈秒的時間內寫入，而EEPROM與快閃記憶體都需要數微秒或毫秒，FRAM存取比這些舊有的記憶體技術快1,000–10,000倍。當鐵電晶體進入正或負的狀態，就會保持該狀態。即使電場撤銷，即FRAM可以長久保持資料。即使在較高的溫度下(85攝氏度)，FRAM仍能保留其數據長達10年。FRAM有100trillion次的讀/寫週期，幾乎可無限制的使用。
FRAM不需要較高的電場來開關偶極，它可以使用較低的1.5V電壓來寫入與讀取資料。較低電壓就意味著只需較低的功耗，這同時帶來了其他優勢。首先，不需要高電壓電晶體、也不需要高電壓的電路(如電荷泵)來升高電壓。其次，由於只需要少量的電能，FRAM所需的功率只需在開始寫入時從前端載入即可。這避免了當智慧卡在寫入過程中從無線電源移走時，出現部分寫入的“資料斷裂”問題。
FRAM與130nm晶片制程節點
與製造智慧卡常用的180nm制程節點相比，採用130nm制程節點，可在晶片有限的單位面積上容納兩倍多的電路。透過以130nm製造FRAM，可以將更多的容量容納在較小的Ic上，並且比使用傳統的嵌入式記憶體技術消耗更少的功耗。
FRAM對識別產生過程的影響
創建電子識別文檔使憑證的產生過程更為複雜。不僅要將電子內容加入文檔中，還要將資料寫入到智慧卡中。資料的寫入過程有兩個重要步驟，預個人化和個人化。
預個人化即對智慧卡的板載記憶體及/或作業系統進行專門的格式化。在創建ID文檔典型過程中的預個人化步驟裏，非接觸式地將格式資訊同時寫入到單層的基底材料上的多個憑證中。如果在預個人化時，其中一個智慧卡格式化不當，不良晶片將會繼續保留，直到所有的憑證都完成。較低的RF晶片靈敏度也會影響產生憑證的產量。在讀卡器與晶片間的RF訊號較弱，或受到外部臨時干擾時，靈敏度較差的晶片不能與其他晶片良好地配合工作。
當文檔完全編譯、格式化並產生單個憑證後，就需要進行晶片的個人化處理了。在個人化過程中，將憑證所有人的個人資料載入到智慧卡中。
如果使用EEPROM與快閃記憶體記憶體，在預個人化和個人化過程中，將所有資料寫入到智慧卡的時間會顯著地減緩電子文檔產生過程。但使用採用FRAM的智慧卡，該產生時間可以顯著地縮短。有較強RF靈敏度及較快記憶體寫入速度的智慧卡(如採用FRAM)，可以對電子識別的產生時間、成本及品質有很大的影響。
作者簡介
Josheph Pearson為Texas Instruments的RFID系統部門政府識別行銷經理。Ted Moise為Texas Instruments的混合訊號技術開發部門的非揮發性記憶體部門經理。若要瞭解詳細資訊，請連結www.ti.com/gov.id。
Click here for Illustrations:
Figure 1, Figure 2, Figure 3, Figure 4, Figure 5, Table 1
