見“芯”知著，淺析北斗芯片關(guān)鍵技術(shù)

作為高端制造業(yè)的“皇冠明珠”,芯片是衡量一個(gè)國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一,是信息產(chǎn)業(yè)的核心與基石。核心芯片不僅為國家信息產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來高額的利潤,同時(shí)也通過產(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。只有掌握芯片的核心關(guān)鍵技術(shù),特別是高端產(chǎn)品的領(lǐng)先技術(shù),才能使我國的信息產(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)一步支撐我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國家戰(zhàn)略。

北斗芯片對于保障我國時(shí)空信息安全也起著舉足輕重的作用,同時(shí)也是國家科技創(chuàng)新戰(zhàn)略的重要支柱。只有依托自主可控的、先進(jìn)北斗芯片,才能從北斗產(chǎn)業(yè)鏈源頭擺脫國外廠商長期技術(shù)壁壘、壟斷,受制于人的局面,才能徹底解決我國北斗應(yīng)用和時(shí)空信息安全面臨的挑戰(zhàn)。對于物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛、共享單車、智慧交通、智慧基建、智慧物流等等一系列新興智能產(chǎn)業(yè)來講,北斗芯片提供的北斗高精度定位和授時(shí)服務(wù)就是構(gòu)建這些應(yīng)用大廈的“沙子和水泥”,是不可或缺的基礎(chǔ),只有構(gòu)建在自主可控的時(shí)空信息地基之上,各類新興智能產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和發(fā)展才可能穩(wěn)固、安全。

北斗芯片在結(jié)構(gòu)上主要包括GNSS射頻接收機(jī)、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、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)雜度更加高。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)品的核心競爭力。從目前華大北斗最新發(fā)布的第四代北斗芯片結(jié)構(gòu)圖上(見下圖),我們可以較清晰的看到,芯片高集成度設(shè)計(jì)、性能強(qiáng)化設(shè)計(jì)、多維度功耗控制設(shè)計(jì)等已成為北斗芯片技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)。

關(guān)鍵技術(shù)之:SoC高集成度設(shè)計(jì)

SoC(System on Chip)芯片稱為系統(tǒng)級芯片,也稱片上系統(tǒng),包含了芯片完整硬件系統(tǒng)和嵌入式軟件系統(tǒng)的全部內(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、接口等多項(xiàng)技術(shù)。SoC芯片的提出,是相對于過去SIP芯片(System In a Package系統(tǒng)級封裝,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。

從上圖我們也可以清晰的看到華大北斗最新發(fā)布的第四代北斗芯片與其以往系列芯片一樣,繼續(xù)采用了SoC芯片架構(gòu)。在單一芯片上集成了兩個(gè)微處理器、射頻單元、數(shù)字基帶單元、存儲器、電源管理單元、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),進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的競爭力。其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于:要通過復(fù)雜的設(shè)計(jì),來避免各個(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。

隨著SoC高集成度設(shè)計(jì)技術(shù)的提升,國產(chǎn)北斗芯片尺寸將進(jìn)一步縮小。隨著芯片物理尺寸的縮小,也意味著芯片的物理成本同步下降,這將為國產(chǎn)北斗芯片參與國際競爭,支持北斗系統(tǒng)全球規(guī)?；瘧?yīng)用起到關(guān)鍵的基礎(chǔ)支撐作用。

關(guān)鍵技術(shù)之:性能強(qiáng)化設(shè)計(jì)

多系統(tǒng)多頻組合定位能力

多系統(tǒng)多頻組合定位技術(shù)需要芯片在兼容北斗(中國)、GPS(美國)、GLONASS(俄羅斯)、GALILEO(歐洲)、QZSS(日本)、NavIC(印度)多個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的同時(shí),還需要能夠?qū)崿F(xiàn)L1、L2、L5、L6多個(gè)頻點(diǎn)衛(wèi)星信號的接收和組合定位。從而最大限度地利用衛(wèi)星信號資源,提升定位性能。

單北斗定位和北斗優(yōu)先定位能力

芯片要支持北斗三號新一代的B1I, B1C, B2I, B3I, B2a以及B2b信號,更好地支持單北斗定位時(shí)間及定位精度要求。在算法設(shè)計(jì)方面,還需要優(yōu)先捕獲北斗衛(wèi)星進(jìn)行定位,并且選用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)作為主系統(tǒng),其他衛(wèi)星系統(tǒng)作為從系統(tǒng)。進(jìn)而真正實(shí)現(xiàn)北斗獨(dú)立工作或優(yōu)先工作的可靠性和安全性。華大北斗最新發(fā)布的第四代北斗芯片也繼續(xù)強(qiáng)化了對單北斗定位和北斗優(yōu)先定位能力的支持。

抗干擾能力

北斗芯片工作中會(huì)遇到各種干擾信號,這就需要芯片可以實(shí)時(shí)地檢測干擾信號頻率,并自動(dòng)濾除干擾信號,從而避免干擾信號對芯片導(dǎo)航定位功能產(chǎn)生影響。

嵌入式高精度定位算法能力

北斗芯片嵌入式高精度定位算法的實(shí)現(xiàn)通常需要處理器具有很高的運(yùn)算速度和很大的存儲空間。而對于規(guī)模化應(yīng)用的北斗芯片,功耗和成本限制了實(shí)現(xiàn)高精度算法能夠使用的計(jì)算和存儲資源,實(shí)現(xiàn)起來非常困難。在有限的芯片內(nèi)存容量及處理器工作頻率限制下,實(shí)現(xiàn)芯片級嵌入式地基增強(qiáng)和星基增強(qiáng)高精度定位算法,對國產(chǎn)北斗芯片的研發(fā)提出了更具挑戰(zhàn)性的要求。華大北斗最新發(fā)布的第四代北斗芯片在支持高精度衛(wèi)星定位算法的同時(shí),還支持衛(wèi)星與慣性導(dǎo)航組合導(dǎo)航定位算法,這就使芯片的適用場景更廣泛,定位可靠性得到進(jìn)一步提升。

在線星歷采集和離線星歷預(yù)估能力

衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)是導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),但在弱信號環(huán)境下芯片從衛(wèi)星獲取導(dǎo)航電文的時(shí)間變長,這時(shí)就需要星歷存儲功能,該功能將定位所需的導(dǎo)航衛(wèi)星電文信息快速的提供給定位芯片,使芯片下次冷啟動(dòng)時(shí)能快速獲取到導(dǎo)航電文信息,從而縮短冷啟動(dòng)時(shí)間,做到快速定位。在線星歷采集技術(shù)和離線星歷預(yù)估技術(shù)是解決上述問題的關(guān)鍵。這項(xiàng)能力一直以來也都是華大北斗芯片的特色之一。

“信源級”安全北斗能力

北斗導(dǎo)航定位信息是行業(yè)應(yīng)用信息融合的關(guān)鍵之一,其真實(shí)性和保密性是行業(yè)應(yīng)用安全可靠的先決條件,如何確保信息在傳輸鏈路中不被竊取和篡改成為行業(yè)應(yīng)用的剛需。在北斗芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)硬件加密單元,實(shí)現(xiàn)“信源級”位置信息加密輸出將是解決這一隱患的關(guān)鍵,并將為基于位置信息的行業(yè)應(yīng)用提供底層安全支撐。

關(guān)鍵技術(shù)之:多維度功耗控制設(shè)計(jì)

北斗芯片功耗直接影響終端的待機(jī)和使用時(shí)間,特別對主要以電池供電的移動(dòng)終端更是如此。為了進(jìn)一步減低北斗芯片功耗,北斗芯片在設(shè)計(jì)過程中需要充分評估所有影響功耗的設(shè)計(jì)點(diǎn),通過多維度的優(yōu)化設(shè)計(jì),將芯片功耗盡量降低。依然以華大北斗最新發(fā)布的第四代北斗芯片為例,由于其采用了多維度功耗控制設(shè)計(jì),功耗較上一代產(chǎn)品下降了50%左右,得到了極大的優(yōu)化。

射頻電路的功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用只需一個(gè)低噪聲放大器和一個(gè)鎖相環(huán)即可實(shí)現(xiàn)雙頻段信號同時(shí)接收的射頻架構(gòu),可以大幅降低芯片射頻接收機(jī)的功耗。同時(shí)針對不同系統(tǒng)不同頻帶信號對接收機(jī)的帶寬和功率動(dòng)態(tài)配置,實(shí)現(xiàn)信號接收質(zhì)量和功耗的最佳均衡。通過結(jié)構(gòu)和電路的精細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì),使接收機(jī)總體功耗降到最低。

極低待機(jī)功耗設(shè)計(jì)

采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震蕩器電路,保證在極低功耗待機(jī)狀態(tài)下也可定時(shí)喚醒芯片。在待機(jī)狀態(tài)下,芯片的整體待機(jī)功耗小于2uA,可達(dá)到業(yè)界主流低功耗MCU芯片的待機(jī)功耗性能。

動(dòng)態(tài)頻率調(diào)整技術(shù)

按照處理器的工作負(fù)荷來動(dòng)態(tài)調(diào)整處理器工作頻率和電壓可以線性減少處理器部分的動(dòng)態(tài)功耗。有高性能需求時(shí),可提高數(shù)字時(shí)鐘頻率以充分發(fā)揮處理器能力,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。無高性能需求時(shí),可降低數(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。

優(yōu)化電源管理策略

為了達(dá)到系統(tǒng)更低功耗的目標(biāo),芯片可采用多電源域設(shè)計(jì)。在不同需求下,芯片可以通過開關(guān)不同電源域的電源,進(jìn)入到不同的電源模式,實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的。按照功耗依次降低的順序,芯片的電源模式可以分為:正常工作模式(System Run Mode),睡眠模式(Sleep Mode),深度睡眠模式(Deep Sleep Mode),待機(jī)模式(Standby Mode)。

DC-DC電源集成設(shè)計(jì)

在北斗芯片設(shè)計(jì)中集成高效率的DC-DC(開關(guān)電源)模塊,滿足在輕、重負(fù)載電流情況下的高效電源轉(zhuǎn)換。內(nèi)置的DC-DC轉(zhuǎn)換器,不僅節(jié)約了芯片外圍元器件的成本,同時(shí)芯片可以更方便的根據(jù)自身的需要對開關(guān)電源進(jìn)行控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的。

北斗芯片作為北斗產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)關(guān)鍵一環(huán),上述諸多關(guān)鍵核心技術(shù)僅是略見一斑。還有更多關(guān)鍵技術(shù)需要國產(chǎn)北斗芯片廠商突破和提升,以爭取全球市場競爭力。這些技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法對于芯片功能和性能的提升、成本的降低都將發(fā)揮重要作用。以華大北斗為代表的國內(nèi)北斗GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片企業(yè),一直將北斗芯片核心技術(shù)研發(fā)作為重中之重和發(fā)展的基石。面對國際技術(shù)壟斷和“卡脖子”的威脅,也只有通過自主創(chuàng)新才能有所突破,才有可能在競爭激烈的全球市場上讓中國北斗“芯”擁有一席之地。見“芯”知著,“十四五”已進(jìn)入下半場,北斗規(guī)模應(yīng)用也已進(jìn)入市場化、產(chǎn)業(yè)化、國際化發(fā)展的關(guān)鍵階段。我們凝科技創(chuàng)新之力,為中國北斗造“芯”。