北斗GNSS卫星导航定位芯片架构和设计发展趋势
伴随北斗卫星系统的快速发展
北斗导航芯片的构成
卫星导航芯片在结构上主要由GNSS射频接收机、GNSS基带信号处理器、微处理器等多种功能模块组成。其中 chip 设计 complexity 特别是射频与基带一体化 SoC 设计的 complexity 更加突出。 chip 的 design capability 直接关系到其 performance 敏感度 power consumption 尺寸 cost 等多个性能指标的变化幅度进而也会极大影响终端产品的 core competitiveness. 由此可见 chip 的技术发展方向几乎就是整个 satellite navigation 终端产品发展的导向. 在 chip 的 structure 上我们清晰地可以看出集成度 性能与 power 等因素将成为未来 chip 发展的重点攻关领域
芯片技术发展方向1:适合的工艺与SoC集成设计,提升芯片集成度
工艺选择
各类芯片在工艺上的优势也有所不同。在导航芯片中包含了基带模块以及射频(RF)模块两大功能区，在其整体架构中分别承担着数字逻辑电路和模拟射频电路两大功能区，并各自占据50%的面积比例。其中CPU类芯片的主要组成部分为数字逻辑电路。
小节点工艺在逻辑电路芯片面积缩减方面的效果较为显著,而在模拟电路芯片面积缩减方面的帮助则相对有限,因此就芯片类型、工艺选择及成本效益的角度而言,将导航芯片采用小节点工艺意义并不大。值得注意的是,导航芯片运行频率约为100+MHz,而小节点工艺通常在提升动态功耗控制和散热效果方面表现出色,但对于运行频率较低且面临较大静态漏电功耗挑战的设备而言,该工艺并不适用。(手机CPU当前多采用2500+Mhz频率运行,而电脑CPU通常在3000+Mhz左右)
另外，在工艺水平的提升接近20nm时（此处可考虑替换"工艺提升逼近"为"工艺水平的提升接近"），栅极对电流控制能力将显著下降（此处可考虑替换"出现"为"发生"/"呈现"）。这会导致出现所谓的"电流泄露"现象（此处可考虑替换引号为破折号）。电流泄露不仅会导致直接出现芯片功耗上升（此处可考虑替换"直接增加"为"直接导致/造成/引发"）的情况（此处可考虑替换后半部分句子），还会给晶体管带来额外发热（此处可考虑替换具体数值或表述方式）。与此同时，在这种情况下（此处可考虑替换词组长度及表达方式），还可能引发电路故障并使信号传输产生模糊现象（此处可考虑调整句子结构以增强逻辑性）。解决这类问题所需的研发成本将会大幅增加（此处可考虑换用动词组替代单个动词）。而当晶体管尺寸进一步缩小至10nm以下时（此处可考虑优化句子结构），会出现量子效应这一更加复杂的现象（此处可考虑替换描述方式）。此时不仅晶圆难以控制其特性（此处可考虑优化表述顺序），而且生产难度将会显著提高（此处可考虑使用更具象的说法）。此外，在这种情况下生产的晶圆价格也将大幅上升。（注：以上改动均遵循了仅做表达方式改变、不改变原意的原则）
综合权衡后发现,应用更先进的生产工艺将会导致研发与制造的成本显著上升。对于CPU这类单价较高且具有较高技术价值的产品而言,采用先进技术是有必要的。然而，在市场单价相对较低但技术价值较高的导航芯片领域，则缺乏应用先进生产工艺的动力。当前，在市场中较为成熟的导航定位芯片多采用40nm CMOS技术路线，并能够显著提升产品的低功耗性能、降低生产成本，并有效降低技术风险。展望未来的技术发展动态,预计22nm CMOS技术路线将会逐步取代现有技术并进入主流应用。
SoC集成设计
The System on Chip (SoC) architecture is widely recognized as a system-level chip that integrates both hardware and embedded software systems. It represents the current mainstream research direction of chip manufacturers. As a design philosophy, SoC aims to integrate multiple modules that can be combined into a single chip. This includes射频 (RF) technology, 基带 (BB) design, power management (PM), embedded storage solutions (ESS), and diverse interface configurations. The emergence of SoC technology is fundamentally different from the earlier SIP architecture (System In a Package), which focused on encapsulating multiple functional chips into a single package to achieve basic functionality. Compared to SIP architecture, SoC offers significant advantages in terms of size reduction, power efficiency enhancement and cost optimization through integration of multiple functionalities onto a single chip.
SoC芯片集成了微处理器、模拟IP核以及数字IP核和存储器等核心组件，并且具有高集成度和强大性能的同时，在功耗方面表现优异且体积小巧。它能够显著降低了开发成本并缩短了设计周期，并且提升了产品竞争力。其主要挑战在于：采用精密的设计方案以确保各功能模块之间互不干扰，在协同工作时均能充分发挥性能。
尽管SoC集成设计技术具有较高的复杂度和较大的难度, 但因其拥有多项优势, 可以为芯片带来多方面的性能提升, 已经成为导航芯片设计厂商的主要设计趋势之一。
芯片技术发展方向2:芯片级双频联合定位,提升定位性能
众所周知，在我国北斗三号卫星密集发射的同时，伴随着GPS、伽利略、格洛纳斯等其他GNSS系统的出现以及应用范围的不断扩大，在卫星星座数量提升的同时与信号体制优化并行进行。目前导航定位可应用的资源不仅包括了北斗B1I和GPS L1频点外，并且还包含了BDS B3I、B2a以及GPS L2、L5频点等更多选项。与此同时，在科技发展与社会进步的双重推动下，人们对导航定位精度的要求也在不断提升，在大众消费领域这一趋势尤为明显。例如某知名国产手机厂商发布全球首款双频北斗超精准定位手机所引发的巨大关注与讨论，则是这一演变趋势的最佳印证。
双频定位技术在复杂的都市环境中能显著提升测量精度与可靠性
该系统方案已获得充分验证，在导航定位领域展现出显著优势与可行性。
然而，在实际部署过程中主要仍采用专用芯片或FPGA架构实现相关联锁功能，
这不仅面临成本高昂、能耗过高及体积庞大等诸多制约因素，
而且难以满足移动设备与智能穿戴设备等产品对低功耗与小型化设计的需求，
因而限制了基于北斗/GNSS的双频定位技术在大众市场中的广泛应用。
为此，
双频SoC单芯片解决方案恰为解决这一关键问题提供了基础支撑，
也是全球Positioning行业发展的主流趋势。
在此背景下，
芯片设计厂商若想参与国际市场竞争并拓展国内市场，
必须着力研发与部署基于双频SoC架构的产品线。
这一"高效能低消耗"的技术推广策略将对产业链下的终端产品升级换代需求产生巨大推动作用，
同时也将加速整个卫星导航产业的发展进程与整体水平提升。
芯片技术发展方向3:超低功耗设计,延长待机时间
为了降低芯片功耗,主流卫星导航定位芯片厂商一般采用动态电压频率优化策略、极低功耗设计技术和嵌入式存储器技术和优化策略等方法,从电源管理、功耗控制和资源调度等多个层面进行系统性方案设计。
采用动态电压频率调节技术，在用户需求高性能导航接收功能时提升数字时钟运行速度以充分发挥处理器性能；此时动态电压频率调节电路会自动升高数字逻辑与存储器工作电压从而保证逻辑电路正常运转效率。相反当用户无需高性能计算能力时降低数字时钟运行速度可节省功耗；此时动态电压频率调节电路会相应降低数字逻辑与存储器的工作电压从而进一步减少电路功耗
最低功耗设计能够显著提升芯片在电池供电条件下的最长续航时间。通过采用具有最小漏电损耗的超晶圆氧化体管来实现 wake-up 电路的设计，并搭配功能性的低成本振荡器电路以维持长时间段内可靠的时钟信号输出，在最小化能耗的同时确保设备处于完全休眠状态即可唤醒工作状态。当前主流卫星导航系统内置于睡眠模式的整体能耗已降至少于2微安（μA），已接近行业标准先进的微控制器芯片 sleep mode 能耗水平。
传统的卫星导航定位芯片不具备直接集成不挥发性存储器的能力，在SoC设计中通常采用叠加一层非易失性存储层的方式进行封装。这种纯硬件方案尚未完全实现真正的单芯片架构。叠加的非易失性层不仅增加了封装成本和供电消耗，并且仅支持串行接口通信模式限制了处理器对内存单元的数据传输效率。为了克服这一局限性，在卫星导航系统中引入嵌入式内存技术，在芯片内部集成并行接口内存模块既能降低整体功耗又能提升数据传输带宽从而实现了低功耗高性能的数据处理能力
随着智能手机、物联网、车联网、无人机等应用的快速发展,精准位置服务需求愈加广泛。各类大众化定位终端产品对定位精度的要求已经达到“米级”甚至“亚米级”,传统高精度板卡大尺寸、高功耗的不足愈加凸显,已不能满足高精度大众化应用的需求,芯片级高精度定位产品是高精度大众化应用的必然趋势和产物。民用市场以及物联网应用市场主要针对各类手持终端、便携式移动设备、可穿戴设备,芯片级高精度解决方案,具备超低功耗和长时间待机的先天优势,将极大地提升高精度终端产品的竞争力。