隨著北斗衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)北斗導(dǎo)航定位芯片行業(yè)也迅猛發(fā)展，芯片技術(shù)成為全球各個(gè)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)之一，作為高端制造業(yè)的“皇冠明珠”，芯片是衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一，是信息產(chǎn)業(yè)的核心與基石。芯片不僅為國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)高額的利潤(rùn)，同時(shí)也通過(guò)產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)效應(yīng)成百上千倍的產(chǎn)值放大作用，強(qiáng)力推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。只有掌握核心芯片的關(guān)鍵技術(shù)，特別是高端芯片的領(lǐng)先技術(shù)，才能使我國(guó)的信息產(chǎn)業(yè)占據(jù)全世界范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈制高點(diǎn)，更進(jìn)一步支撐我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)作為國(guó)家重大空間和信息化基礎(chǔ)設(shè)施，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)防安全、國(guó)土安全和公共安全的重大技術(shù)支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)資源。衛(wèi)星導(dǎo)航定位核心芯片作為衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端產(chǎn)品的核心部件、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的源頭和動(dòng)力，在衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

北斗導(dǎo)航芯片的構(gòu)成

衛(wèi)星導(dǎo)航芯片在結(jié)構(gòu)上主要包括GNSS射頻接收機(jī)、GNSS基帶信號(hào)處理器、微處理器、電源管理、內(nèi)存和控制單元、存儲(chǔ)器、串口設(shè)備、外圍接口電路等部分。由于芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜，特別是射頻和基帶一體化SoC芯片的設(shè)計(jì)復(fù)雜度更加復(fù)雜，衛(wèi)星導(dǎo)航芯片設(shè)計(jì)能力的差異，直接影響芯片性能、靈敏度、功耗、尺寸、成本等多個(gè)方面，進(jìn)而也極大地影響著導(dǎo)航定位終端產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。因此，衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片的技術(shù)方向很大程度上代表了衛(wèi)星導(dǎo)航終端產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。從衛(wèi)星導(dǎo)航芯片的結(jié)構(gòu)上，我們可以較清晰的看到，芯片集成度、性能和功耗將是芯片未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)方向。

芯片技術(shù)發(fā)展方向1：適合的工藝與SoC集成設(shè)計(jì)，提升芯片集成度

工藝選擇

芯片類(lèi)型不同，工藝優(yōu)勢(shì)影響也是不同的。導(dǎo)航芯片主要包含基帶和射頻（RF）兩部分，其芯片結(jié)構(gòu)中數(shù)字邏輯電路和模擬射頻電路各占50%。CPU芯片結(jié)構(gòu)中主要為數(shù)字邏輯電路。

小節(jié)點(diǎn)工藝對(duì)邏輯電路芯片面積降低幫助大，對(duì)模擬電路芯片面積降低幫助不大，所以從芯片類(lèi)型與工藝及成本的匹配考慮，導(dǎo)航芯片采用小節(jié)點(diǎn)工藝意義不大。另外，導(dǎo)航芯片的主頻大概在100+Mhz，小節(jié)點(diǎn)工藝一般對(duì)高主頻的CPU動(dòng)態(tài)功耗、熱量降低有幫助，對(duì)導(dǎo)航芯片這種低主頻靜態(tài)漏電功耗大的芯片反而不好。（手機(jī)CPU現(xiàn)在主頻一般2500+Mhz、電腦CPU大概3000+Mhz）

另外，隨著工藝提升逼近至20nm 時(shí)，柵極對(duì)電流控制能力會(huì)急劇下降，會(huì)出現(xiàn)“電流泄露”問(wèn)題。電流泄露將直接增加芯片的功耗，為晶體管帶來(lái)額外的發(fā)熱量。另一方面，電流泄露還將導(dǎo)致電路錯(cuò)誤，信號(hào)模糊。為解決相關(guān)問(wèn)題投入的研發(fā)成本會(huì)大幅提高。與此同時(shí)，當(dāng)晶體管的尺寸縮小到小于10nm時(shí)會(huì)產(chǎn)生量子效應(yīng)，這時(shí)晶體管的特性將很難控制，芯片的生產(chǎn)難度也會(huì)成倍增長(zhǎng)，晶元（wafer）的價(jià)格也更高。

綜合考慮，采用更先進(jìn)工藝的研發(fā)和制造成本更高，CPU一類(lèi)單價(jià)較高的產(chǎn)品可以采用，但對(duì)于導(dǎo)航芯片這類(lèi)市場(chǎng)單價(jià)相對(duì)較低的芯片則無(wú)驅(qū)動(dòng)力使用高成本的最新工藝。目前導(dǎo)航定位芯片較為成熟且性?xún)r(jià)比較好的工藝是40nm CMOS工藝，可以為導(dǎo)航定位芯片帶來(lái)低功耗、低成本、低風(fēng)險(xiǎn)等諸多優(yōu)勢(shì)，未來(lái)將相22nm CMOS工藝演進(jìn)和升級(jí)。

SoC集成設(shè)計(jì)

SoC（System on Chip）芯片稱(chēng)為系統(tǒng)級(jí)芯片，也稱(chēng)片上系統(tǒng)，包含了芯片完整硬件系統(tǒng)和嵌入式軟件系統(tǒng)的全部?jī)?nèi)容，是當(dāng)下主流芯片企業(yè)的主研方向。SoC也是一種設(shè)計(jì)理念，就是將各個(gè)可以集成在一起的模塊集成到一個(gè)芯片上，包含了射頻、基帶、電源管理、嵌入式存儲(chǔ)、接口等多項(xiàng)技術(shù)。SoC芯片的提出，是相對(duì)于過(guò)去SIP芯片（System In a Package系統(tǒng)級(jí)封裝，將多種功能芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本完整的功能。）而言的。由于通過(guò)一顆芯片實(shí)現(xiàn)SIP多顆芯片的所有功能，因此SoC芯片在尺寸、功耗、成本等方面較SIP芯片具有較大優(yōu)勢(shì)。

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(chǔ)器、外圍接口等，具備集成度高、功能強(qiáng)、功耗低、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地降低電子/信息系統(tǒng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：要通過(guò)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，來(lái)避免各個(gè)模塊互相影響，保證各個(gè)模塊配合工作時(shí)可以發(fā)揮出最佳性能。

雖然SoC集成設(shè)計(jì)技術(shù)復(fù)雜度高、難度大，但由于其具備諸多優(yōu)點(diǎn)，可以給芯片帶來(lái)多項(xiàng)指標(biāo)提升，已成為導(dǎo)航芯片設(shè)計(jì)廠商的主流設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展方向。

芯片技術(shù)發(fā)展方向2：芯片級(jí)雙頻聯(lián)合定位，提升定位性能

眾所周知，伴隨我國(guó)北斗三號(hào)衛(wèi)星的高密度發(fā)射，加之GPS、伽利略、格洛納斯等其它GNSS系統(tǒng)，導(dǎo)航定位可以使用的資源越來(lái)越多，不僅是衛(wèi)星星座數(shù)量的提升，在信號(hào)體制方面也發(fā)生了改變。除了有北斗B1I和 GPS L1頻點(diǎn)外，還加入了BDS B3I， B2a和GPS L2，L5頻點(diǎn)。與此同時(shí)，隨著科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)導(dǎo)航定位精準(zhǔn)度的要求也在不斷提升，這在大眾化消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用市場(chǎng)尤為凸顯。某知名國(guó)產(chǎn)手機(jī)廠商發(fā)布全球首款雙頻北斗超精準(zhǔn)定位手機(jī)所引起的轟動(dòng)，正是這種趨勢(shì)的最好例證。

雙頻定位在復(fù)雜城市環(huán)境中對(duì)提升定位精準(zhǔn)度和可靠性是有很大幫助的。影響衛(wèi)星定位精度的主要因素是電離層延時(shí)和建筑物和遮擋物反射干擾產(chǎn)生的多徑效應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，頻段信號(hào)的帶寬越高，碼率越高其受折射和反射的干擾就較少。傳統(tǒng)單頻定位方案只能接收單一頻點(diǎn)（B1I/L1）信號(hào)，帶寬不夠，易受建筑物反射干擾影響。而在雙頻定位方案中，新增的頻段信號(hào)（B2a/L5）帶寬高、碼率大，折射及反射對(duì)其影響不大；同時(shí)不同頻率信號(hào)通過(guò)電離層時(shí)的折射率不同，通過(guò)對(duì)比兩路信號(hào)的延遲，用計(jì)算來(lái)消除電離層帶來(lái)的誤差，將會(huì)使定位精度得到進(jìn)一步提高。

雙頻甚至多頻聯(lián)合定位技術(shù)在導(dǎo)航定位領(lǐng)域是已經(jīng)得到驗(yàn)證的技術(shù)路徑，可以較大幅度地提升定位精度和抵抗多徑效應(yīng)。但目前雙頻甚至多頻聯(lián)合定位功能的實(shí)現(xiàn)大多通過(guò)板卡或FPGA方式實(shí)現(xiàn)，因此存在成本高、功耗高、尺寸大等諸多問(wèn)題，無(wú)法滿足手機(jī)、智能穿戴等應(yīng)用領(lǐng)域低功耗、小型化的需求，使得北斗GNSS雙頻定位技術(shù)無(wú)法在廣泛的大眾高精度市場(chǎng)中大規(guī)模應(yīng)用。雙頻SoC單芯片技術(shù)，正是解決雙頻定位技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用所需具備的基礎(chǔ)技術(shù)，也是國(guó)際主流發(fā)展趨勢(shì)。芯片廠商若想?yún)⑴c全球競(jìng)爭(zhēng)，甚至想擴(kuò)展國(guó)內(nèi)市場(chǎng)都必須布局雙頻SoC芯片技術(shù)和產(chǎn)品。雙頻SoC芯片技術(shù)“高能低用”的大眾化市場(chǎng)推廣，將極大地帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈下游終端產(chǎn)品升級(jí)和換代的規(guī)?；枨螅瑫r(shí)也將帶動(dòng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展和提升。

芯片技術(shù)發(fā)展方向3：超低功耗設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間

為了降低芯片功耗，主流衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片廠商一般采用動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整技術(shù)、極低待機(jī)功耗設(shè)計(jì)技術(shù)和嵌入式存儲(chǔ)器技術(shù)等方法，從多個(gè)方面對(duì)芯片功耗進(jìn)行控制。

通過(guò)動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整技術(shù)，當(dāng)用戶(hù)需要高性能的導(dǎo)航接收功能時(shí)，可以提高數(shù)字時(shí)鐘頻率以充分發(fā)揮處理器的處理能力，此時(shí)動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整電路會(huì)自動(dòng)將數(shù)字邏輯和存儲(chǔ)器的工作電壓提高，保證數(shù)字邏輯電路有足夠的工作速度。而當(dāng)用戶(hù)不需要高性能的計(jì)算能力時(shí)，可以降低數(shù)字時(shí)鐘以節(jié)省功耗，此時(shí)動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整電路又會(huì)自動(dòng)將數(shù)字邏輯和存儲(chǔ)器的工作電壓降低，這樣就進(jìn)一步節(jié)省了數(shù)字電路的功耗。

極低待機(jī)功耗設(shè)計(jì)可以延長(zhǎng)芯片在電池供電條件下的最長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間。為了將待機(jī)功耗降到最低，可以用具有極低漏電功耗的厚柵氧晶體管設(shè)計(jì)待機(jī)喚醒電路，同時(shí)設(shè)計(jì)具有極低功耗的晶體振蕩器電路，保證在極低的待機(jī)狀態(tài)下也可定時(shí)喚醒芯片。目前主流衛(wèi)星導(dǎo)航芯片在待機(jī)狀態(tài)下的整體待機(jī)功耗可小于2uA，已達(dá)到業(yè)界主流低功耗MCU芯片的待機(jī)功耗性能。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片一般無(wú)法在片上集成不揮發(fā)存儲(chǔ)器，因此通常需要在SoC芯片的上面疊放一顆存儲(chǔ)芯片，封裝在同一芯片管殼中，還不完全是真正意義上的單芯片SoC。疊放的存儲(chǔ)芯片不僅會(huì)增加封裝成本和功耗，而且只能使用串行接口電路，限制了處理器對(duì)存儲(chǔ)單元的訪問(wèn)速度。在衛(wèi)星導(dǎo)航芯片中使嵌入式存儲(chǔ)器工藝，在芯片內(nèi)部集成并行接口的存儲(chǔ)單元，即節(jié)省了封裝成本，同時(shí)可以提升處理器對(duì)存儲(chǔ)單元的訪問(wèn)效率從而降低訪問(wèn)存儲(chǔ)器的功耗。

隨著智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人機(jī)等應(yīng)用的快速發(fā)展，精準(zhǔn)位置服務(wù)需求愈加廣泛。各類(lèi)大眾化定位終端產(chǎn)品對(duì)定位精度的要求已經(jīng)達(dá)到“米級(jí)”甚至“亞米級(jí)”，傳統(tǒng)高精度板卡大尺寸、高功耗的不足愈加凸顯，已不能滿足高精度大眾化應(yīng)用的需求，芯片級(jí)高精度定位產(chǎn)品是高精度大眾化應(yīng)用的必然趨勢(shì)和產(chǎn)物。民用市場(chǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場(chǎng)主要針對(duì)各類(lèi)手持終端、便攜式移動(dòng)設(shè)備、可穿戴設(shè)備，芯片級(jí)高精度解決方案，具備超低功耗和長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)的先天優(yōu)勢(shì)，將極大地提升高精度終端產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。