互动科普

在日本爱知县举行的2005年世界博览会，参观者超过了2,200万人次，但没有一个人是用假票混进去的。事实上，门票无法伪造，因为每张门票中都嵌入了一个极微小的无线射频识别（radiofrequency identification，缩写为RFID）芯片，它的边长仅0.4毫米，厚度仅0.06毫米。参观者入场时，此芯片便把一个独一无二的识别码通过无线电波发送到入口处的扫描装置上。

这种芯片是由日本日立公司生产的。现在，日立公司把目光瞄向了体积更小的芯片。2007年，日立公司发布了一种实用版本的RFID芯片，边长仅0.05毫米，厚度仅0.005毫米，肉眼很难看见。这种芯片的面积只有爱知世博会门票所用芯片的1/64，功能却毫不逊色。这种小得可以嵌进普通纸张中的微粒版芯片的问世，预示着一个新时代的来临：这意味着我们几乎可以对所有物品进行详细标记，并通过扫描装置，用无线方式读出芯片中的数据。

在东京，这种芯片的设计者、日立研究中心的研究人员宇佐美光雄（Mitsuo Usami）微笑着举起一个盛着液体的小玻璃瓶，让大家观察瓶中一团随着水流旋转的颗粒。这些颗粒闪闪发光，就像午后骄阳下闪耀的尘粒。他骄傲地介绍：“这是世界上同类芯片中体积最小的。”

小的魅力

集芯片和天线于一体的RFID标志体积越来越小，即使在尺寸缩小之前，它就已经被誉为物流供应链中一项具有重大意义的革新了。同为识别标志，RFID标志的成本高于条形码，但仍被视为一种可取代条形码的识别方式，因为它工作更为高效。优秀的RFID标志具有无需手工扫描的优点，在读取数据时也不必对准某一特定方向。近年来，沃尔玛等零售业巨头已开始引入RFID标志，期望能够节省数十亿美元的库存和劳动成本。在其他领域，RFID的应用也蓬勃发展，如用于高速公路电子收费、公交月票及护照等。有些人甚至把它们植入自己的手中，这样一来，开门就不再需要钥匙，启动电脑也无须输入密码了。

日立公司的主要目的，是把这种新型芯片用于防伪技术。它可以嵌入各种有价的纸制品中，例如证券、音乐会门票、礼品券及钞票等。宇佐美和他的同事相信，芯片越小，就越容易实现无痕嵌入。“尖端的高技术设备越来越便宜，伪造上述各种纸制品也就更加容易了，”宇佐美指出，“虽说电子货币日益流行，但钞票毕竟还是最方便的。”

同其他各种“无源”型RFID芯片一样，爱知世博会上使用的μ芯片的运行机制非常简单，既不用电池、也无需电源。当把这种芯片连同芯片上的天线（通常是一根细条形天线）一起嵌入某物时，它可以接收扫描装置发射的2.45千兆赫兹（GHz）的射频波，并向该装置返回一个独一无二的128位（二进制）识别码，此代码存放在芯片的只读存储器（read only memory，缩写为ROM）中。然后扫描装置对照着一个可以存放在任何地方的数据库核查该识别码，立即就能鉴定出物品的真伪。

日立公司宣称，由于128位代码所能形成的数字组合方式多达1038种之多，因此μ芯片可以用来标记“不计其数”的东西。单独的一个识别码本身并没有意义，但一旦同数据库中的某项内容匹配起来，就可以调出用户赋予该芯片的全部信息。目前，正式名称为“微粒型大规模集成芯片”的新一代产品正在研发，它也带有128位识别码。

宇佐美是一位经验丰富的电路工程师。1999年，日本通信业巨头——日本电报电话公共公司（NTT）引入了一款叫做i-mode的手机。这些当时最先进的手机可以让用户登录互联网，有一次，电视里正在播放该手机的广告，宇佐美看后突发奇想，提出了μ芯片和微粒版芯片的构思。宇佐美想到了构建一个由RFID芯片和服务器组成的网络。芯片将被嵌入各种微型器件中，储存一个特定的识别码，传给服务器。服务器在收到一个有效的识别码以后，将根据需要为用户提供各种功能服务。这一构想与今天的“云计算”概念（cloud computing）颇为相似。所谓云计算，就是把应用程序分散到多台单独的电脑上运行，通过互联网来使用这些程序。

宇佐美把注意力转向于研制一种小得可以嵌入任何物品的RFID芯片。要让市场接受，这种芯片还必须售价低廉、结构简单、安全可靠。宇佐美对于研制微小芯片并不陌生。在20世纪90年代初，他就设计出了嵌有微芯片（边长4毫米，厚0.25毫米）的超薄电话卡，以取代旧式电话磁卡。电话卡里的芯片可以加密，安全性更高。

然而，宇佐美想要把芯片做得更小，为此他必须先确定一块芯片必须具备的基本功能。于是，宇佐美向同事宝木和夫（Kazuo Takaragi）求助，后者当时是日立公司系统开发实验室的计算机安全专家。经过充分讨论后，宇佐美决定采用128位识别码。该方法既可以简化设计，也可以产生大量数字组合。同时，这种方法也可以确保安全，因为只读存储器中的信息是不可更改的。宇佐美去掉了所有无关紧要的东西，只保留了只读存储器、简化射频电路（用于实现与天线的交互作用）、整流电路（用于管理电流）以及一个时钟电路（用于使芯片内部各项运作同步并与扫描装置一致）。

令人啼笑皆非的是，宇佐美在缩小芯片尺寸工作中遇到的最大障碍，竟然并非技术问题。在那时，几乎所有人都认为芯片应该朝着大容量、多功能的方向发展。而宇佐美的设计方案却反其道而行之，简单得不能再简单。日立公司非常反对这一方案，他们希望芯片具备可重写和可加密等功能。一旦失去公司提供的资金，宇佐美的设想只能是纸上谈兵。

幸运的是，时任日立公司研究与开发集团总经理的浅井彰二郎（Shojiro Asai）认识到了这个计划的潜力。他表示愿意提供项目开发经费，条件是宇佐美要收回所有投资。于是，这一后来被命名为μ芯片（源于微米符号即μm中的希腊字母μ）的新产品开始了原型阶段的生产。宇佐美将防伪保护作为μ芯片的卖点，最终获得了成功——在2005年爱知世博会上，μ芯片大受欢迎。这让日立公司消除了疑虑，在公司的支持下，宇佐美将继续改进设计，把芯片做得更小。

制造微粒

微粒版芯片与μ芯片的构成完全相同，但体积更小。芯片之所以能进一步缩小，关键在于90纳米绝缘体硅片（silicon-on-insulator，缩写为SOI）工艺的应用。这是IBM率先推出的一种先进芯片制造工艺。与传统工艺相比，使用SOI工艺生产出的处理器性能更佳、功耗更低，因为它使用一种绝缘体把晶体管隔离开来。绝缘体的使用，一方面减少了电能被周围介质的吸收，增强了信号；另一方面又使各晶体管间保持隔绝状态。用这种方法实现各晶体管间的隔绝，有助于消除相互干扰，使它们可以被更紧密地封装在一起，芯片的尺寸就能进一步缩小了。

电子束蚀刻技术也为缩小芯片尺寸提供了帮助。这项技术利用聚焦电子束，在一个非常紧凑的区域中刻蚀出独特的布线图，作为该块芯片的识别码。用电子束刻蚀技术制出电路布线图的速度比光刻蚀技术要慢，因为电子束刻蚀技术是沿着布线图依次刻蚀，而不是同时刻出这些图案。不过，日立公司开发了一种新技术，制造微粒版芯片的速度要比制造μ芯片快60倍。

RFID标志通常由芯片和外置天线构成，μ芯片也是如此。不过，在某些应用场合，μ芯片和微粒版芯片需要使用内部天线，即直接嵌在芯片上的天线。但在使用内部天线时，扫描装置与芯片的距离就必须缩短。目前，日立公司销售的外置天线型μ芯片，最大扫描距离为30厘米，而微粒版芯片原型产品的扫描距离也大致相同。尽管这一扫描距离有点短，但对于涉及钞票和证券的大多数应用场合来说，还是可以接受。日立公司正在开展相关研究，以增大外置天线和内部天线的工作距离。应用场合决定了需要多大的扫描距离：对于验证钞票或证券等场合，几毫米或1厘米就行了；而分拣包裹则需要1米左右的扫描距离。该公司也在研究“防冲突”技术，以便同时读出多个芯片中的数据。这样一来，扫描商店柜台上紧密排列的货物或堆在超市购物车中的商品，将更加方便快捷。

负面影响

将微型RFID芯片技术用于钞票防伪是合理的，但这也许会加剧人们的担忧：它可能会涉及隐私问题。比如说，某个不法之徒可能会从远处扫描别人的钱包。不过，选用与短距扫描装置（例如自动存取款机中的读卡器）匹配的无线标志，就可以限制这类侵犯隐私的行径。此外，不法分子还必须设法进入相应的服务器和数据库中，才能弄清所窃取信息的含义。

目前正在开发的微粒版大规模集成芯片，它们极小的尺寸也让人们异想天开。例如，警察是否可以把这种微粒喷向一群暴徒，然后通过分布在道路两旁或公交车辆中的治安扫描装置跟踪他们？日立公司声称，通过喷射方式来应用这些芯片是不可行的，因为它们必须连接天线才能发挥作用。宇佐美还指出：“许多民间团体已经制定了关于无线射频识别技术的隐私保护原则。其中的一项根本原则，就是不能秘密应用该技术。”

然而，伦敦《卫报》记录了涉及特速购（Tesco）超市连锁集团的一桩案例。这家超市在所售的吉列剃须刀刀片的包装上装置了RFID标志，如有人企图盗窃，RFID标志就将启动隐藏的摄像机。提倡保护隐私的人士或许也会认可RFID标志在货物发送与供应领域中的价值，但他们希望在商品售出后能够移除或停用这些标志。

宇佐美认为RFID技术的应用利大于弊。“把RFID标志嵌在人行道地砖或人行横道线中，安装有自动导航系统的轮椅就能得到更好的帮助。这显得尤其重要，因为日本已经进入老龄化社会。”随着纸制品的使用越来越少，微型RFID芯片迟早也会在其他场合派上用场。特别是我们常常要遇到对产品尺寸有要求的情况，或者要能够方便存取，再或者具有其他各种复杂性的地方等，这时该芯片将大显身手。日立公司设想，利用微粒版芯片来缩短企业、工厂和其他设施安装并核查复杂电气布线系统所需的时间。电线和终端设备都将装上识别芯片，这样工人们在检查导线和终端时，就可以迅速对照数据库和相关图纸，再也不用耗费很多时间进行目测检查了。

但是，如果说隐私保护阵营的人士担心芯片小得越来越难以被发现的话，这种担心倒真是有根据的：宇佐美宣称，微型化趋势将不断持续下去。