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1颗芯,30万人,大国重器“北斗”26年的逆袭征途丨芯征程

作者:汝晴

编辑:Lina

芯片,国之命脉。

这一枚小小的方块,竟卡住了我国无数尖端行业的咽喉,成了科技巨头们的阿喀琉斯之踵。

2021年,36氪重磅推出《芯征程》系列产业观察。本系列将对半导体产业上下游进行一次全方位的深度研究,包括不断突破摩尔定律极限的制造巨头、设备供应商、材料供应商、以及芯片设计企业。希望我们的内容能够为饱受“缺芯”困扰的中国产业界提供一些借鉴与参考。

1989年,美国发射了第一颗GPS(全球定位系统)卫星,从此打开了“天眼”。

一年后,海湾战争打响,还未完全建成的GPS系统向世界展示了全球定位系统的恐怖实力——为攻击部队提供精确定位,帮助美军精确掌握自身位置、记录敌方位置,快速绘制战场态势图精准打击敌军。

这一仗更让世界认识到,卫星导航系统与国家安全息息相关,建设一个自主可控的全球卫星导航系统至关重要。

2020年6月,“北斗三号”系统最后一颗全球组网卫星顺利入轨。至此,“北斗三号”全球卫星导航系统星座部署全面完成,北斗系统具备全球导航定位的能力。

北斗系统是一套时空战略基础设施,通讯系统的授时、交通工具和智能设备的导航定位都依赖于它。其应用涉及到国家战略安全,必须要自主可控才可靠。

而芯片作为北斗系统的灵魂与心脏,它的自主可控更是北斗人不断奋斗突破的结果。

有机无“芯”

1989年,北京的一处不足30平米的临时机房内,“两弹一星”元勋、中科院院士陈芳允首次用两颗卫星演示了“卫星定位系统”,证明了其1983年提出的大胆构想——用两颗地球静止轨道卫星,覆盖中国区域,实现定位、定时,并兼具通信功能是可以实现的。

而这正是日后“北斗一号”系统的雏形。

5年后的1994年12月,北斗导航试验卫星系统工程(“北斗一号”)获得国家批准,开始分三个阶段建设北斗系统。2000年,我国发射2颗地球静止轨道卫星,“北斗一号”建成系统并投入使用。我国的授时(指天文台用无线电信号报告最精确的时间)、信息发送等功能由原先的GPS转变成北斗传输。

“北斗一号”是一个试验之作,初步证明了我国具备自建卫星定位导航系统的能力,解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。但其不足也十分明显,该系统是覆盖我国本土的区域导航系统,不能覆盖两极地区,赤道附近定位精度差,只能主动式定位,民用普及度也十分有限。

这一阶段,北斗导航终端设备使用的芯片几乎没有国产芯片的身影。

当时,西方国家在几乎所有高科技领域都对中国实施严酷的技术封锁,“北斗一号”的建设,让北斗系统建设者们也意识到了国内在导航卫星技术和经验方面的不足。

而更为紧要的危机也在此时酝酿。

导航卫星需要拥有对应的频段才能上天工作。一旦频率被卫星占用,其他卫星就不能再使用,然而优质的频段就像是“黄金地产”稀缺有限,根据国际电信联盟(ITU,负责分配频率资源)的规则,频率资源遵循“先用先得”和“逾期作废”的原则,有效期以申请日期开始计算,只有7年。

2000年,中国和欧盟前后脚提出次优频率的申请。欧盟在1999年提出了建设新一代民用全球卫星导航系统——伽利略(Galileo)计划。

最终,中欧两方在ITU框架下拓展了1164MHz~1215MHz、1260MHz~1300MHz的导航卫星频段。于是,北斗的第一道时间锁降下,要使用这些频段,中国必须在2007年4月18日零点之前成功发射导航卫星并成功播发信号,而且还必须比欧盟更快。

1颗芯,30万人,大国重器“北斗”26年的逆袭征途丨芯征程

全球四大卫星导航系统简单对比

2004年,“北斗二号”卫星导航系统任务正式启动。

压力来到“北斗二号”建设团队身上,当时航天科技集团五院负责“北斗二号”卫星研发的团队平均年龄只有20多岁,他们需要在3年时间内,并行完成包括3颗初样星和1颗试验正样星的研制工作。

不仅是时间紧任务重,北斗系统还是一个多星组网系统,必须要批量生产和密集发射才能保证其效力的发挥,其研制工作还有诸多挑战:一是保证稳定连续的发射和长时间的运行,二是整个北斗导航星座系统的任何一个小部件都要保证零缺陷,零质量问题;三是缺乏系统性工程经验的研制队伍必须要成功攻关北斗二号卫星系统所需要采用的许多新技术、新器件、新工艺。

吃苦和持之以恒成为了团队攻克困难的法宝。

在北斗二号卫星总指挥兼总设计师杨慧的记忆中,通宵达旦的工作,从细微异常之处找寻故障对于研发团队而言都是常事。“可是当时大家全都忘了什么是难,我们面对一个问题又一个问题,不断地提出想法、不断地去验证、不断地去推翻,这样不断地往前一点一点地推进。那段时间真的是用‘激情燃烧’来形容一点也不为过,加班绝对是常态。到了晚上,我们‘导航’办公室的灯光总是特别亮。”

曾有一次,团队在研发中发现了故障,但故障数据只有几秒。为了从这几秒数据中找出故障的位置和原因,北斗团队成员连续干了一周,白天向专家和同行汇报,晚上继续通宵查找问题,困了就在桌子上趴一会,最终在地面复现了问题。

随着一项项难题被攻克,团队争分夺秒地完成了前期所有研制工作。时间不等人,所有参试人员进驻发射场后,为节省时间,又大干3天体力活,搬设备、扛机柜、布电缆,没有丝毫停歇,紧接着就是200小时不间断的加电测试。

在这最后的冲刺阶段,院士、总设计师、负责人和技术人员都一起排班,共同应对次次险情和种种考验。发射场的环境也让不少队员因为水土不服而拉肚子、发烧,北斗导航卫星首席总设计师谢军甚至晕倒了3次,但无人离开自己的岗位……

终于,2007年4月14日,首颗“北斗二号”导航卫星压哨发射升空,我国进入“北斗二号”时代。

与作为试验系统的“北斗一号”不同。完成组网之后,“北斗二号”可在覆盖亚太地区定位精度能达到10米,测速精度优于0.2米/秒,授时精度优于50纳秒。据专家介绍,其定位精度等技术参数与GPS民用信号相当。

“北斗二号”筑基,北斗应用产业也逐步迎来快速发展的时期。以2007年为分水岭,北斗终端芯片产业也有了新发展和新突破,中国企业自主研发意识觉醒,开始了北斗终端芯片的自主国产的征程。

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北斗卫星图 来源:北斗卫星导航系统官网

北斗企业齐上阵,填补国内市场空白

对于北斗导航终端来说,关键是两个“芯”:一是射频芯片,二是基带芯片。其中,射频芯片,就是负责接收天上的北斗导航卫星发射的波形信号,并将其放大变成数字信号;而基带芯片的作用就是读出位置以及时间信息。

直到2008年2月,我国首颗自主开发的完全国产化的卫星导航基带处理芯片“领航一号”面世,并将替代“北斗”系统内的国外芯片。这颗芯片于2006年起开始研制,由复控华龙和复旦微电子合作完成。这种芯片不仅完全实现了国产化,而且性能和造价明显优于国外产品。国产芯片的使用,大大降低了北斗导航系统模块的价格。复控华龙公司市场总监杨泓曾表示,“北斗”导航系统原来模块的造价要2万元,则可以降到1000元以内。此外,“领航一号”的体积大大缩小,功耗大大降低。

2008年3月,西安华迅公司研制成功第二代多星座、全频点导航射频芯片,芯片全面覆盖GPS(L1-L5)、北斗(B1-B3)、 伽利略(E1-E6)、GLOnasS导航系统的所有频点,并且适用于第三代移动通信环境下对低功耗、抗干扰要求非常严格的手机应用。

零的突破虽然实现,但国产芯片仍然示微。美国GPS系统早在1994年就搭建完成,提供全球民用服务,在2007年前,中国导航终端使用的绝大部分芯片都是美国GPS芯片,GPS系统也占据了我国导航产业市场95%以上的份额。我国北斗民用芯片路线基本都以“北斗+GPS导航”的多频路线逐步替代GPS芯片。

一批北斗芯片人冲到了芯片研发的一线。

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北斗芯片将发展历程

韩绍伟就是其中一员。这位前美国SiRF公司副总裁,在2008年的一次学术交流会上,与北斗星通董事长周儒欣有了深入的交流,了解到了中国导航卫星芯片的空白和芯片本身对于国家战略的重要性和紧迫性。此后,两人又分别经历了两次会谈,并与负责我国北斗产业化的主要领导进行了深入沟通后,他们把聚焦点放到了通过新设立一家公司,参与北斗卫星导航系统的建设开发高端导航定位芯片。

2009年初,韩绍伟接受周儒欣和国家北斗产业化主要领导的邀请,毅然从美国回国创业。与北斗星通共同成立了专业从事自主芯片研发设计的子公司和芯星通,韩绍伟担任总裁,正式开始从事以北斗为核心的高集成度芯片设计和高精度GNSS核心产品开发。

北斗星通成立于2000年,主要业务是就是卫星导航定位技术的开发与应用,2004年公司取得了首个“北斗一号”卫星导航定位系统分理服务资质,2007年正式在深圳中小企业板上市。

此后,一大批国内外从事卫星导航产业的人才纷纷追随他加入和芯星通。一年后,在2010年ICG(全球卫星导航系统国际委员会)第五届大会上,韩绍伟提出了“第三代卫星导航系统”和“第三代卫星导航接收机设计理念”,把不同国家的卫星导航系统统一在一个空间框架和时间框架中,将全球已有的GNSS系统视为一个统一的系统。

这一理念此后贯穿了和芯星通整个SoC芯片设计和研发中。

2010年9月25日,和芯星通正式发布了自主研制的拥有完全自主知识产权的国内首创的多系统多频率卫星导航高性能SoC芯片「NebulasTM」,这颗芯片采用90纳米低功耗工艺,内置200+MHz处理器和192个逻辑通道,支持当前所有的卫星导航系统及其全部频率,还可以更广泛地应用于高精度和涉及国家安全的领域,如测量测绘、地震及灾害预测、精密仪器控制、精确制导等。

当时,国内企业推出的产品一般应用于低精度领域。此外,中国企业推出的产品即使能支持美国、欧洲、俄罗斯的多系统,也不能同时支持同一系统的不同频率。而NebulasTM打破这两项“常规”。

国家科学技术奖获得者、“两弹一星”功勋科学家、北斗卫星导航系统工程总设计师孙家栋院士对这颗芯片给予了高度肯定,称“这个具有自主知识产权的产业化项目为中国人争了一口气,在世界上表现了北斗强国的梦想”!

1颗芯,30万人,大国重器“北斗”26年的逆袭征途丨芯征程

北斗产业链上的部分公司 来源:浙商证券研究所

芯片产业的发展始终与应用市场的发展息息相关。而二十一世纪以来,我国卫星导航应用的市场规模几乎以两年翻一番的速度快速增长。据悉,2006年底,我国卫星导航应用终端持有量已超过1600万套,2007年的车辆应用终端增加近3000万台。估计“十一五”末期,我国卫星导航应用产品的总产值将达到350亿元,导航运营服务产值超过75亿元,形成一个市场规模超过500亿元的新兴技术产业领域。

尽管有多家公司已经在北斗终端芯片方面实现了突破,但这一时期,总的来说,北斗芯片的自主研发依旧十分受限,仍没有形成规模,竞争力较弱。原因在于,一方面国家下拨的研发经费近90%都用于北斗卫星的研制和发射,仅有10%左右用于芯片研发;另一方面“北斗二号”系统在2007年到2012年期间,一直处于快速部署阶段,北斗产业民用市场始终未迎来快速发展时期。再加之,国外芯片的长时间垄断对国内市场的挤压,早一批的北斗芯片公司日子并不好过,步履为艰。

美国GPS早在1994年就开全球范围内民用,经过近20年的发展,GPS导航产业链已经成型且具备全球影响力。彼时,完全掌据导航芯片组设计技术的企业主要集中在美国、日本、欧洲和俄罗斯,包括美国的SiRF、Motolora、Trimble,欧洲的Philips、Mitel以及日本的nec、SONY等公司。其中,SiRF技术公司是最早专作导航芯片组生意的公司,稳居龙头地位。

尽管国内已经有芯片企业形成突破,但是国内绝大多数导航设备公司都是直接购买国外公司生产的OEM板进行二次开发( GPS定位算法等核心技术由进口OEM板的相关模块完成)。同样OEM开发板市场也是被美国厂商垄断。

这其中既有我国企业在技术上客观差距,也与美国并不公开GPS导航的顶层算法和星座参数有关。北斗系统的建设给我国导航芯片的发展创造了创新条件。

步入22纳米消费电子时代,迎来发展小高峰

随着“北斗二号”一步步走向完善,转机和小高潮随之而来。2012年10月25日,第16颗北斗导航卫星发射升空并送入预定转移轨道,这颗卫星将与先期发射的15颗北斗导航卫星组网运行,形成覆盖亚太大部分地区的导航服务能力,北斗导航芯片迎来了一个前所未有的绝佳机遇——消费电子。

彼时,智能手机平板电脑、可穿戴等智能设备正迎来了爆发式增长初期。北斗导航芯片的消费级市场正处于爆发前夕。越来越多公司朝着更小尺寸、更低功耗、更高集成度、更高定位精度、更高性价比的方向,在不同领域取得了突破和进步。

北斗系统服务范围的扩大无疑给北斗产业,给北斗芯片市场打了一剂强心针。2013年,国家颁布《促进信息消费——加快推进北斗卫星导航产业规模化发展》,政策明确提出要支持中国北斗芯片事业。北斗芯片迎来了快速发展的小高峰。2013年,东莞泰斗微电子发布了采用55纳米工艺,集成了射频、基带与闪存的“三合一”SiP单芯片的北斗2/GPS双模基带芯片TD1020。该芯片不仅可以用于以车载、电力金融、通信等为代表的行业应用领域,也可进一步更广泛地应用于以智能电话、平板电脑和可佩戴智能终端等为代表的消费电子领域。

2014年,中兴通讯采用泰斗微电子TD1020的北斗、GPS导航三防智能手机G601U完成了第一批商用机的量产,这意味着北斗芯片进入了智能手机时代。

也是在2014年,韩绍伟在武汉成立了梦芯科技,开始高精度消费类北斗导航定位芯片的研发。经过近一年"007"加班模式,梦芯科技研发出了首颗40纳米高精度消费类北斗导航定位芯片,相当于在1/5一角钱硬币大小的硅体上,实现近千万的运算和存储单元,可广泛用于北斗导航和消费类导航,并能智能跟踪。这颗芯片获得了“2016卫星导航定位科学技术奖一等奖”。

2014年1月,西安华迅也推出了采用40纳米工艺技术的四代高性能北斗/GPS导航芯片,集北斗/GPS+Wifi+Bluetooth+FM为一体的Soc芯片。

同年,上海北伽导航发布了采用40纳米 CMOS 射频基带一体化SoC北斗导航芯片,可以满足大众应用终端对导航芯片“体积小、更小、功耗低、更低”的要求,可以应用于平板电脑、可穿戴设备、车载导航等设备中。

从0.35微米到55纳米再到40纳米,只用了7年,中国公司就完成了北斗芯片制程的进步飞跃。

2016年,北斗星通获得了国家集成电路产业投资基金(大基金)的投资。2017年,北斗星通首发了28纳米北斗芯片「Firebird」。三年后,2020年5月北斗星通对外宣布开发22纳米高精度车规级定位芯片Nebulas-IV和22纳米超低功耗双频双核定位芯片Firebird-II。

据了解,Firebird-II 主要针对的目标市场是车载前装市场,支持双频;Nebulas-IV针对新型高精度市场;量产时间预计在明年四季度到2022年1季度。

我国北斗终端芯片即将进入22纳米时代。更小的纳米数往往代表更为先进的制造和设计工艺。22纳米也意味着在单一的北斗芯片上可以集成微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器、外围接口等,其集成度更高、功能更强、功耗更低、尺寸也更小,可以更好的与各行业应用融合,应用范围也会更广。

1颗芯,30万人,大国重器“北斗”26年的逆袭征途丨芯征程

国内北斗芯片主要厂商及其产品 来源:公开资料整理

在“北斗二号”、“北斗三号”快速建设的过程中,国家各部委出台了各类政策鼓励北斗系统的民用落地。比如,交通运输部就发布了《关于加快推进重点运输过程监控管理服务示范系统工程实施工作的通知》,其中提到自2013年1月1日起,各示范省份在用的特定类型车辆应加装北斗兼容车载终端。自 2013年6月1日起,所有新进入示范省份运输市场的特定类型车辆,在车辆出厂前应安装北斗兼容车载终端。凡未按规定安装或加装北斗兼容车载终端的车辆,不予核发或审验道路运输证。国家发改委、财政部发布专项通知,重点支持北斗兼容型导航终端及其核心组件开发应用。

各类政策的出台一方面加快了中国北斗卫星导航应用产业链的协同发展,促进了应用市场的扩大,另一方面也鼓励了芯片企业。

此外,芯片研究20余年的研发积累、海外芯片人才归国、资本的加入都为导航芯片的一次次突破打下了基础。而芯片产业链的发展更为北斗芯片的快速迭代创造了更有利的条件,台积电、英特尔、中芯国际等晶圆厂不断突破向前突破制程,已经逐步精进到7纳米都能稳定量产的水平。北斗芯片所使用的22纳米以下的制程工艺则更是成熟、稳定,产能能够得到保证且成本相对较低。这些从客观上都促进了中国北斗芯片企业的发展。

值得一提的是,北斗芯片的价格也在十年间快速下降,北斗导航位置服务(北京)有限公司公司总经理曹红杰曾在接受媒体采访时表示,北斗芯从几千块降到了几百块,共享单车使用的芯片现在已经降到几块钱。

截止到2019年底,国产北斗导航型芯片模块累计销量已突破8000万片,高精度板卡和天线销量已占据中国30%和90%的市场份额,并输出到100余个国家和地区。《2020中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》中也提到,最关键的国产北斗兼容型芯片及模块销量已突破1亿片。

这些芯片及模块大多应用于基于智能定位的室内外位置融合服务、高精度位移测量服务、智能交通、医疗救助、煤矿安全生产、重要设施安全监测、消费电子、无人机、车载导航等领域。

1颗芯,30万人,大国重器“北斗”26年的逆袭征途丨芯征程

2015-2023年中国卫星导航与位置服务产业各细分市场总市值(单位:亿元)

“北斗三号”:100%全国产

北斗终端芯片逐步实现了全面自主研发,并且在性能、制程等多方面走在了全球领先的地位。而北斗卫星上使用的核心芯片同样也要实现100%自主可控。

事实上,在北斗系统开发早期,科研人员对于进口产品始终存在着某种依赖,但随着北斗工程的国际影响日益扩大,科研人员也渐渐发现国外的某些产品已经不能完全满足北斗卫星的技术要求,重要部件实现国产化已经势在必行。

2015年7月27日,第18、19颗北斗导航卫星发射入轨,这是两颗新一代北斗导航卫星,100%使用了国产「宇航CPU」芯片,也是首次成体系地、批量使用国产芯片的中国卫星。

宇航CPU是卫星的核心芯片,任务是接收地面指令、处理载荷数据、管理控制姿态等,相当于卫星的大脑。

但这颗只有拇指甲盖大小宇航CPU背后凝聚了中国航天科技集团公司九院772所10年的心血。

1994年,772所在北京丰台成立,主要从事宇航级超大规模集成电路和模块的研制生产与销售。此后5年,772所逐步理清宇航级芯片的技术路线,开始攻克抗辐射的难题,确立抗辐射设计加固技术;2003年,772所负责研发的第一块超大规模集成电路上天。两年后,772所接到了新的任务需求——研发宇航级CPU芯片。

772所的CPU征程也随之开始。

在研发初期,以赵元富为核心的772所研发团队就意识到仿制的CPU产品是没有竞争优势的,决心将目标锁定在自主研发国际新一代宇航用CPU上 。经过近两年的潜心试验和研究,772所又将第二批七、八款芯片随星送上了太空,在其稳定运行三年后,国产芯片在太空中的表现进一步获得各方认可。

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772所的宇航级产品 来源:772所官网

2011年,772所研制的国产空间用CPU随试验卫星升空,这是我国自主研制的首枚32位空间用CPU,是卫星最核心的元器件。

也是在这一年,2011年,772所承担起新一代北斗导航卫星近40款国产化电路的研发和生产任务。为此,772所紧急成立了“北斗导航卫星工程元器件国产化项目团队”,实行“两总”管理,成立专项型号办公室,任命总指挥和总师等序列。

这近40款电路相当于卫星的“大脑”和“神经”,要万无一失地应用在新一代“北斗”上,压力巨大。在数千个日夜的加班加点中,772所完成了这个任务,其中最重要的CPU产品在不少性能已赶上了国际领先水平,不仅速度更快、接口类型更多、可变性更强,也能够适合卫星不同功能组件的要求。

“在某些抗辐射指标上,我们应该比国外的一些产品还更有优势。”赵元富在接受媒体采访时说。

太空中环境复杂,恶劣辐射环境可能导致星上电路性能甚至整个电路失效,这样“致命”打击的事件时有发生。因而宇航用芯片要具有抗辐射等特殊性能,这对于卫星长寿命、高可靠稳定运行具有至关重要的作用。

如今,772所已经将抗辐射芯片的技术思路建设成为可以实际应用的平台——抗辐射设计加固技术平台,在此技术平台的基础上,772所已研制成功200多种抗辐射加固集成电路,并出口到德国和俄罗斯。在抗辐射技术领域772所已经发表了学术论文 600余篇 ,取得各类专利200多项 。

宇航级CPU一直是芯片中的“钻石皇冠”,芯片史上最贵的芯片产品,几乎都是宇航级芯片,此前美国赛灵思公司的宇航级FPGA芯片,以单价500万人民币一颗的价格高居榜首。但最近也有市场消息称这一“宝座”已经易主北斗卫星,北斗三号总设计师林宝军公开表示,北斗卫星的航天CPU,一块板子的价格是900万人民币,并且比以往还便宜几倍。

除了宇航CPU 100%自主研发,2015年7月发射的“北斗二号”的数据总线电路、转换器、存储器等芯片也均为国产货,整星的芯片国产化率达到98%。

到了2017年11月首次发射的北斗三号卫星,已经实现了100%全国产。其中包括自主研制的抗辐照四核CPU芯片SoC2012,以及自主知识产权的操作系统SpaceOS2,与目前国际同类产品的最高水平相当。

提及北斗卫星芯片,龙芯也是其中的主力军,在2015年的北斗双星之上就搭载了龙芯 1E 和龙芯 1F,负责进行常规运算,数据采集、开关控制、通讯等处理功能。

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龙芯芯片 来源:《中国经济周刊》中科院微小卫星创新研究院提供

北斗三号总师林宝军也在媒体活动中谈到龙芯的重要作用。他提到:“北斗三号在天上要实现星间链路、轨道运算、运行管理、波速指向和路由等功能,需要很大的运算量。原来我们用的是欧洲sc80c32芯片,为了满足上述功能,需要用好多块芯片合起来。国产的龙芯,一片是它运算能力的十倍,所以我们下决心用。另外,在天上工作时,sc80c32芯片大概一周会出现一次计算错误,但龙芯累计寿命已经30年了,出错率是零。基本上可以说,一块龙芯是十块欧洲芯片的能力。所以说,国产不等于不好,国产不等于不可靠。”

不仅是要有过硬的产品,过硬的质管体系同样是保障国产芯片得以支撑北斗卫星运行的关键。

1984年,航天科技集团五院成立了宇航物资保障事业部,它是中国最早成立的宇航元器件质量保证的专业机构,为上千万只航天元器件提供质量保证。对于国产芯片,他们保有一种近乎苛刻的“基因筛查”技术:将芯片开帽后,用放大镜寻找芯片瑕疵。

对于内部缺陷的查找,对容易出问题的一个点会进行250倍的放大,再到750倍、2200倍、20000倍的放大检查,不放过任何一个孔洞、裂纹。

任何一点小问题都可能造成芯片短路,也正是这种极致严格的要求助力了芯片国产化的提升。

未来:芯片先行、应用为王

26年来,全国400多家单位,30多万科技人员先后参与北斗系统建设,先后攻克了包括星间链路、高精度原子钟在内的160多项关键核心技术,在500多种元器件和重要部件国产化研制上实现了突破,最终实现核心器部件100%国产化率。

从覆盖全国到服务亚太地区再到覆盖全球,如今北斗系统已经具备在全球提供定位、导航、授时服务的能力。北斗产业也迎来了新一轮大发展。

中国信息通信研究院发布的《北斗定位技术与产业发展白皮书(2019年)》提到,随着北斗导航技术与地基增强技术、5g 、物联网、移动互联网云计算、边缘计算、人工智能、机理模型等新技术群落的融合,北斗系统已经在智慧城市、穿戴设备、智能制造、车联网、自动驾驶、公共基础设施自动化监测、智慧农业、电网安全维护等方面取得应用,并将继续扩大在这些领域的渗透。

中国卫星导航定位协会发布的《2021中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示,2020年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达4033亿元人民币,较2019年增长约16.9%。其中,包括与卫星导航技术研发和应用直接相关的芯片、器件、算法、软件、导航数据、终端设备、基础设施等在内的产业核心产值同比增长约11%,达到1295亿元人民币,在总体产值中占比为32.11%,增速略高于去年。

2021年5月26日,在中国南昌举行的第十二届中国卫星导航年会上,中国北斗卫星导航系统主管部门透露,中国卫星导航产业年均增长达20%以上。预估到2025年,中国北斗产业总产值将达到1万亿元。

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北斗系统三大应用市场 来源:《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》

正所谓“天上建好,地面用好”,北斗终端芯片正是这些所有应用的基石。

资本已经嗅到了北斗芯片的增长潜力。2021年5月,北斗定位芯片设计公司深圳华大北斗科技有限公司宣布完成近10亿元B轮战略融资。投资方包括CPE源峰、云锋基金、中船资本、TCL资本、江铃汽车、鼎晖、招银国际、启迪、中航产投等,此前华大北斗还完成3轮融资,投资方中不乏业内头部基金和汽车企业。此外,还有武汉导航院、睦星科技等多家公司获得融资。

北斗终端芯片以应用需求为核心,已经出现以下发展趋势:

1. 高精度、低能耗、融合。在智能驾驶、无人机、农机、测绘、CORS等领域,一般需要稳定、连续的亚米级甚至厘米级的定位精度;而在智能手机、可穿戴设备的应用,则强调功耗的降低。

同时,北斗定位、导航功能与5G、AI、ADAS、Satcom等具有强位置服务要求的技术和应用融合是刚需,这也就意味着北斗芯片也需要在系统和算法层面实现多技术融合发展。北斗芯片也已经做到了射频、基带、算法一体化,现在也在逐步实现越来越多的传感器融合。

融合也是指“北斗+GPS+GLONASS +Galileo”等多导航系统的融合,如此可收到更多的卫星,从而选择更优的星参与解算。

1颗芯,30万人,大国重器“北斗”26年的逆袭征途丨芯征程

来源:网络

2. 进阶的制程工艺前提下,维持性价比。在相同的尺寸下,要实现功耗的降低、性能的提升、更强大的算法应用,就需要更先进的工艺,但当工艺提升,其成本也会提高很多。相对而言,北斗定位芯片是轻量级芯片,运算量不会无限提升,用户更重视的性价比,北斗芯片取消在性能提升和成本增加之间找到平衡点。

目前,22纳米北斗芯片已是国内外行业最高专用芯片工艺,但仍未全面量产,因而北斗芯片的进一步发展还需待22纳米工艺经市场检验后待定。

此外,北斗芯片的发展还与北斗卫星系统的增强息息相关。根据规划,作为定位导航的基础设施,目前北斗的服务由北斗二号系统和北斗三号系统共同提供,2020年后,将平稳过渡到以北斗三号系统为主提供。下一步的计划是到2035年,以北斗系统为核心,建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。

这也就意味着北斗系统定位精度也将一步步提升,这也将促使北斗相关芯片、相关核心设备进一步提高性能,提高北斗终端小型化和电池续航能力,逐步开发出比现在更为广泛的应用场景,给北斗芯片发展带来不断的推动力。

参考文章:

《“北斗”导航系统换上“中国芯”》,河南日报

《宇航级芯片,900万一颗,中国却不惧卡脖子,为何?》,华商韬略

《让“中国芯”在太空闪耀》,企业文化

《北斗三号放弃进口芯片改用国产龙芯,为什么?》,中国经济周刊

《解密北斗“成长之路”:放大2万倍查找芯片瑕疵》,央视新闻

《北斗简史:一文读懂国产导航的26年成长路》,甲子光年

《知料 | 除了抓扇贝,你还应该知道北斗的这些事》,36氪

《捧出“中国芯”共圆北斗梦——访中国北斗导航芯片研发先锋韩绍伟博士》,中国测绘

《国内外卫星导航芯片组及应用产业的现状和发展趋势 》,廖晰、张晓林

《中国北斗卫星导航芯片产业的 现状和发展趋势》,企业导报

《北斗三号正式开通,导航指路只是初级玩法》,潇湘晨报

《北斗卫星首次100%使用国产CPU芯片 》,光明日报

《北斗芯片的下一站“野望”》,集微网

《杨慧:夜空中最亮的“星”》,新华社

《26年59星 回望中国北斗的非凡之旅》,科技日报

中国芯片行业市场需求与投资规划分析报告》,前瞻研究院

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