Проектирование чипа и разработка ПО смарт-карты

В соответствии со стандартом ISO 10202-1 первую фазу жизненного цикла смарт-карты можно разделить на две части. Первая из этих частей охватывает процесс полупроводникового производства микроконтроллера и генерацию операционной системы смарт-карты, в то время как вторая часть посвящена всей технологии производства тела карты.

Производство чипа микроконтроллера и генерация операционной системы смарт-карты связаны с выполнением следующих технологических процессов:
1. проектирования чипа;
2. генерации операционной системы смарт-карты;
3. производства полупроводниковых чипов;
4. тестирования чипов на подложке;
5. разделения подложки на отдельные чипы;
6. установки чипов в модули;
7. подсоединения чипа к контактам модуля;
8. инкапсуляци и чипов;
9. тестирования модулей.

Проектирование чипа. Для карт с памятью или микропроцессорных карт геометрическая форма чипа должна быть по возможности ближе к квадратной, поскольку при этом минимизируется риск разрушения чипа из-за напряжений, возникающих при изгибе карты. В принципе, возможна полная защита чипа от напряжений изгиба при очень жесткой конструкции модуля, но на практике такое конструктивное решение нежелательно. Жесткая конструкция модуля может в конечном итоге вызвать разрушение корпуса карты из-за переменных напряжений изгиба, которым периодически подвергается карта.


Такие используемые для чипа полупроводниковые схемы, как центральный процессор или числовой сопроцессор, обычно являются стандартными элементами, которые технически модифицируют для повышения безопасности. Часто стремятся использовать интегральные схемы для автомобильной промышленности, поскольку они удовлетворяют жестким требованиям к надежности и окружающим условиям. Однако такие элементы должны быть модифицированы, поскольку необходимо полностью адаптировать их к требованиям безопасности, накладываемым на микроконтроллеры смарт-карт.

В процессе проектирования чипа первым шагом после установления функциональной спецификации является создание общей архитектуры чипа в виде блок­-схемы и приблизительной компоновки кристалла будущего микроконтроллера. Вслед за этим постепенно формируется полная функциональная схема с использованием логических функций, блоков и других элементов, и наконец определяются геометрические структуры отдельных фотошаблонов.

Каждый шаг проектирования сопровождается моделированием схемы и подробным тестированием. Это сложный процесс, состоящий из множества отдельных шагов, и для получения оптимальной компоновки элементов чипа необходим большой опыт. Разработка программного обеспечения для смарт-карт является важным шагом. Возможности функционального ПО систем позволяют передавать данные в стороннее программное обеспечение, например, в различные программы 1С или АСУП предприятия. В самом конце этого процесса изготавливаются опытные образцы чипов на опытной линии завода, выпускающего интегральные схемы. Первые опытные устройства подвергаются точным измерениям и всесторонним испытаниям, при этом обычно параллельно выполняется оценка безопасности.

Процесс проектирования чипа может занять несколько месяцев, пока не получится полностью действующий чип, который будет удовлетворять всем требованиям для массового производства. Из-за высокой стоимости внесения значительных изменений в существующий чип большинство вносимых изменений состоят в основном в сжатии чипа, чтобы лучше использовать площадь кремниевой подложки, или во внесении минимальных улучшений либо расширений в аппаратное обеспечение.

Из-за малого объема памяти микроконтроллеров программное обеспечение для операционных систем и приложений, которые базируются на этих операционных системах, должно быть написано, используя в основном язык ассемблера. Конечно, было бы идеально писать ПО на таком языке высокого уровня, как С+. Однако программный код, создаваемый даже высоко оптимизированными компиляторами, на 20-40% больше по объему, чем оптимизированный код ассемблера.


Кроме того, машинный код, производимый компилятором, обычно требует также места в ОЗУ для передачи параметров и хранения стека программы, а объем ОЗУ всегда дефицитен в микроконтроллере смарт-карты. Именно поэтому ПО смарт-карты разрабатывается главным образом на языке ассемблера. С развитием возможностей микроэлектроники эта ситуация, вероятно, значительно изменится, что повлияет на стоимость процесса разработки всего ПО.

Производство чипов. Включает генерацию маски ПЗУ, являющейся, по существу, тем программным обеспечением, которое позже будет размещено в ПЗУ микроконтроллера. Тесты для проверки этого программного обеспечения являются доскональными и всесторонними, поскольку после изготовления чипов уже практически невозможно исправить любую оставшуюся ошибку в этом ПО. Если какая-то ошибка ПО обнаруживается на последующих этапах производства, она может быть исправлена только путем повторного исполнения всех предшествующих шагов.

Для того чтобы наилучшим образом использовать доступное пространство памяти в микроконтроллере, программный код должен быть адаптирован к конкретному типу используемого чипа. Соответственно, перенос ПО на другой тип чипа возможен только за счет дополнительных усилий и затрат. Поэтому время, требуемое для генерации полной маски ПЗУ, составляет около девяти месяцев. Оно может быть значительно уменьшено, если можно использовать программный код смарт-карты, уже имеющийся в наличии (например, в библиотеках ПО). Когда разработка маски ПЗУ завершена, ее можно официально передать производителю чипа.