半導體聯(lián)盟消息，2020年6月23日，北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點火升空，這意味著中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，在長達26年的艱辛建設后終于大功告成，完成了“三步走”戰(zhàn)略的最后一步。北斗組網(wǎng)的成功，意味著北斗空間定位技術將更多地賦能各行各業(yè)，給手機、可穿戴設備、無人機等終端設備帶來福音的同時，也將開創(chuàng)更多新的應用領域。北斗系統(tǒng)有如今的成就，北斗芯片作為應用技術的核心可謂是最大的“功臣”。那么在未來，北斗芯片將會有哪些新的發(fā)展?技術趨勢將會是怎樣?
終端產(chǎn)品造福千萬家，北斗芯片功不可沒
北斗系統(tǒng)全球組網(wǎng)的完成，意味著我國北斗全球導航定位系統(tǒng)將全面建成，在功能和性能等方面得到進一步的提升，從而具備面向全球的覆蓋和服務能力，在天上和地下都布滿“天羅地網(wǎng)”，造福各行各業(yè)。
隨著北斗系統(tǒng)的建成，北斗產(chǎn)業(yè)鏈也更加完善。北斗系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成。三部分各司其職，在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的3維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導航定位。其中，用戶段市場化特征最為明顯，可以細分為上中下游產(chǎn)業(yè)：上游為基礎部件，主要由基帶芯片、射頻芯片、板卡、天線等構成;中游主要包括終端集成和系統(tǒng)集成;下游為解決方案和運維服務，為終端市場提供眾多行業(yè)應用。
人們從哪里能感受到北斗導航定位系統(tǒng)賦能各行各業(yè)呢?答案必然是終端應用市場。小到手機、可穿戴設備，大到汽車、輪船，人們都能“看”到北斗的身影。《2020中國衛(wèi)星導航與位置服務產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》顯示，2019年北斗系統(tǒng)國內(nèi)應用突破新高：超過650萬輛營運車輛、4萬輛郵政與快遞車輛、36個城市約8萬輛公交車安裝北斗系統(tǒng);3200余座內(nèi)河導航設施、2900余座海上導航設施應用了北斗系統(tǒng);國內(nèi)北斗農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)部署超過2萬臺/套，全國7萬余艘漁船和執(zhí)法船安裝北斗終端;支持北斗定位手機達到近300款……
北斗導航定位系統(tǒng)能夠廣泛應用在各行各業(yè)，北斗芯片功不可沒。作為整個產(chǎn)業(yè)鏈的核心，北斗芯片的工藝設計極其復雜，有絲毫的偏差都將極大影響終端產(chǎn)品的性能。“北斗芯片在結構上主要包括GNSS射頻接收機、GNSS基帶信號處理器、微處理器、電源管理、內(nèi)存和控制單元、存儲器、串口設備、外圍接口電路等部分。北斗芯片設計復雜，特別是射頻和基帶一體化SoC芯片的設計更加復雜，因此芯片設計能力的差異，將直接影響芯片性能、靈敏度、功耗、尺寸、成本等多個方面，進而也極大地影響著導航定位終端產(chǎn)品的核心競爭力。因此，北斗芯片的技術方向很大程度上代表了北斗終端產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。” 深圳華大北斗科技有限公司北京分公司總經(jīng)理葛晨向《中國電子報》記者說道。
北斗行業(yè)應用提速，對芯片提出新要求
隨著5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，未來北斗與其他技術的融合將成為必然，越來越多的行業(yè)應用也對北斗芯片提出了更多更嚴峻的“芯”要求。
上海司南衛(wèi)星導航技術股份有限公司高精度芯片項目經(jīng)理閆建巧向記者表示，北斗完成全球組網(wǎng)后，在未來將會以此為基礎，推進衛(wèi)星導航與其他領域技術融合與產(chǎn)業(yè)融合，為全球用戶提供更精準的定位服務，開創(chuàng)各行業(yè)新的融合時代。比如，通過在拖拉機和收割機等農(nóng)業(yè)機械上安裝北斗終端，實現(xiàn)對農(nóng)田的精密耕作，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更高效更輕松，大幅提升生產(chǎn)力。
對此，中國衛(wèi)星導航定位協(xié)會秘書長張全德認為，北斗“融技術、融網(wǎng)絡、融終端、融數(shù)據(jù)”全面發(fā)展，必將形成一個個“北斗+”創(chuàng)新和“北斗+”應用的新生業(yè)態(tài)，成為國家綜合時空體系建設發(fā)展全新布局的核心基礎和動力源。因此，為了能夠與其他領域更好融合，北斗芯片未來的發(fā)展趨勢是在一顆芯片上實現(xiàn)多系統(tǒng)多頻、高精度、抗干擾、低功耗、高集成、小型化等多項技術要求，可見難度非常之高。
“北斗芯片作為終端產(chǎn)品的‘大腦與心臟’，‘芯’強則終端強，‘芯’小則終端小，芯片技術更直接關系終端體積、重量、成本和性能，也會直接影響北斗下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展。讓終端更好地走向市場并服務民生的關鍵，是要做好‘北斗芯’。只有做好北斗芯，才能實現(xiàn)北斗芯片的規(guī)?；瘧?，才能在技術突破的基礎上依托“一帶一路”等機遇實現(xiàn)出貨量的快速增加。”閆建巧說道。
終端市場方興未艾，促進北斗芯片技術更加完善
那么如何才能做好“北斗芯”，使其滿足方興未艾的終端市場需求呢?盡管困難重重，北斗芯片仍需在技術融合的需求中不斷創(chuàng)新和迭代。葛晨認為，北斗芯片技術的發(fā)展和進步也將為北斗系統(tǒng)全球應用提供基礎支撐，為全球用戶帶來更精準的應用體驗。
面對應用領域的“芯”要求，北斗芯片將會有哪些新的發(fā)展方向?對此，葛晨提出了三條“良策”：
第一，為芯片選擇合適的工藝與SoC集成設計，從而提升芯片集成度。SoC芯片在單一芯片上集成微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器、外圍接口等，具備集成度高、功能強、功耗低、尺寸小等優(yōu)點，可以有效地降低電子/信息系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的競爭力。目前導航定位芯片較為成熟且性價比較好的工藝是40nm CMOS工藝，可以為導航定位芯片帶來低功耗、低成本、低風險等諸多優(yōu)勢，未來將向22nm CMOS工藝演進和升級。
第二，采用芯片級雙頻聯(lián)合定位，提升定位性能。雙頻定位在復雜城市環(huán)境中對提升定位精準度和可靠性有很大幫助。影響衛(wèi)星定位精度的主要因素是電離層延時和建筑物和遮擋物反射干擾產(chǎn)生的多徑效應。因此一般來說，頻段信號的帶寬越高，碼率越高其受折射和反射的干擾就較少。
雙頻甚至多頻聯(lián)合定位技術在導航定位領域是已經(jīng)得到驗證的技術路徑，可以較大幅度地提升定位精度和抵抗多徑效應。但目前雙頻甚至多頻聯(lián)合定位功能的實現(xiàn)大多通過板卡或FPGA芯片實現(xiàn)，因此存在成本高、功耗高、尺寸大等諸多問題，無法滿足手機、智能穿戴等應用領域低功耗、小型化的需求，使得目前北斗GNSS雙頻定位技術無法在廣泛的大眾高精度市場中大規(guī)模應用。
第三，可采用動態(tài)電壓頻率調(diào)整技術、極低待機功耗設計技術和嵌入式存儲器技術等方法，從多個方面對芯片功耗進行控制。目前主流衛(wèi)星導航芯片在待機狀態(tài)下的整體待機功耗可小于2μA，已達到業(yè)界主流低功耗MCU芯片的待機功耗性能。同時，在衛(wèi)星導航芯片中使用“嵌入式存儲器工藝”，在芯片內(nèi)部集成并行接口的存儲單元，在節(jié)省封裝成本的同時，也可以提升處理器對存儲單元的訪問效率從而降低訪問存儲器的功耗。
