北斗衛星導航定位授時芯片架構和設計發展趨勢
北斗衛星導航定位授時芯片架構和設計發展趨勢
京准電子科技官微——ahjzsz
隨着北斗衛星系統技術的發展,國內北斗導航定位芯片行業也迅猛發展,芯片技術成為全球各個國家競爭的制高點之一,作為高端制造業的“皇冠明珠”,芯片是衡量一個國家綜合實力的重要標志之一,是信息產業的核心與基石。
芯片不僅為國家信息產業和經濟發展帶來高額的利潤,同時也通過產業帶動效應成百上千倍的產值放大作用,強力推動整個產業的高速發展。
只有掌握核心芯片的關鍵技術,特別是高端芯片的領先技術,才能使我國的信息產業占據全世界范圍內的產業鏈制高點,更進一步支撐我國信息產業發展的國家戰略。
衛星導航定位系統作為國家重大空間和信息化基礎設施,是國家經濟安全、國防安全、國土安全和公共安全的重大技術支撐系統和基礎資源。
衛星導航定位核心芯片作為衛星導航定位終端產品的核心部件、產業鏈發展的源頭和動力,在衛星導航產業中發揮着舉足輕重的作用。
北斗導航芯片的構成
衛星導航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、內存和控制單元、存儲器、串口設備、外圍接口電路等部分。由於芯片設計復雜,特別是射頻和基帶一體化SoC芯片的設計復雜度更加復雜,衛星導航芯片設計能力的差異,直接影響芯片性能、靈敏度、功耗、尺寸、成本等多個方面,進而也極大地影響着導航定位終端產品的核心競爭力。因此,衛星導航定位芯片的技術方向很大程度上代表了衛星導航終端產品的發展趨勢。從衛星導航芯片的結構上,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發展的重點技術攻關方向。
芯片技術發展方向1:適合的工藝與SoC集成設計,提升芯片集成度
工藝選擇
芯片類型不同,工藝優勢影響也是不同的。導航芯片主要包含基帶和射頻(RF)兩部分,其芯片結構中數字邏輯電路和模擬射頻電路各占50%。CPU芯片結構中主要為數字邏輯電路。
小節點工藝對邏輯電路芯片面積降低幫助大,對模擬電路芯片面積降低幫助不大,所以從芯片類型與工藝及成本的匹配考慮,導航芯片采用小節點工藝意義不大。另外,導航芯片的主頻大概在100+Mhz,小節點工藝一般對高主頻的CPU動態功耗、熱量降低有幫助,對導航芯片這種低主頻靜態漏電功耗大的芯片反而不好。(手機CPU現在主頻一般2500+Mhz、電腦CPU大概3000+Mhz)
另外,隨着工藝提升逼近至20nm 時,柵極對電流控制能力會急劇下降,會出現“電流泄露”問題。電流泄露將直接增加芯片的功耗,為晶體管帶來額外的發熱量。另一方面,電流泄露還將導致電路錯誤,信號模糊。為解決相關問題投入的研發成本會大幅提高。與此同時,當晶體管的尺寸縮小到小於10nm時會產生量子效應,這時晶體管的特性將很難控制,芯片的生產難度也會成倍增長,晶元(wafer)的價格也更高。
綜合考慮,采用更先進工藝的研發和制造成本更高,CPU一類單價較高的產品可以采用,但對於導航芯片這類市場單價相對較低的芯片則無驅動力使用高成本的最新工藝。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、低風險等諸多優勢,未來將相22nm CMOS工藝演進和升級。
SoC集成設計
SoC(System on Chip)芯片稱為系統級芯片,也稱片上系統,包含了芯片完整硬件系統和嵌入式軟件系統的全部內容,是當下主流芯片企業的主研方向。SoC也是一種設計理念,就是將各個可以集成在一起的模塊集成到一個芯片上,包含了射頻、基帶、電源管理、嵌入式存儲、接口等多項技術。SoC芯片的提出,是相對於過去SIP芯片(System In a Package系統級封裝,將多種功能芯片集成在一個封裝內,從而實現一個基本完整的功能。)而言的。由於通過一顆芯片實現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芯片具有較大優勢。
SoC芯片在單一芯片上集成微處理器、模擬IP核、數字IP核和存儲器、外圍接口等,具備集成度高、功能強、功耗低、尺寸小等優點,可以有效地降低電子/信息系統產品的開發成本,縮短開發周期,提高產品的競爭力。其設計難點在於:要通過復雜的設計,來避免各個模塊互相影響,保證各個模塊配合工作時可以發揮出最佳性能。
雖然SoC集成設計技術復雜度高、難度大,但由於其具備諸多優點,可以給芯片帶來多項指標提升,已成為導航芯片設計廠商的主流設計技術發展方向。
芯片技術發展方向2:芯片級雙頻聯合定位,提升定位性能
眾所周知,伴隨我國北斗三號衛星的高密度發射,加之GPS、伽利略、格洛納斯等其它GNSS系統,導航定位可以使用的資源越來越多,不僅是衛星星座數量的提升,在信號體制方面也發生了改變。除了有北斗B1I和 GPS L1頻點外,還加入了BDS B3I, B2a和GPS L2,L5頻點。與此同時,隨着科技進步和社會發展,人們對導航定位精准度的要求也在不斷提升,這在大眾化消費類應用市場尤為凸顯。某知名國產手機廠商發布全球首款雙頻北斗超精准定位手機所引起的轟動,正是這種趨勢的最好例證。
雙頻定位在復雜城市環境中對提升定位精准度和可靠性是有很大幫助的。影響衛星定位精度的主要因素是電離層延時和建築物和遮擋物反射干擾產生的多徑效應。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。傳統單頻定位方案只能接收單一頻點(B1I/L1)信號,帶寬不夠,易受建築物反射干擾影響。而在雙頻定位方案中,新增的頻段信號(B2a/L5)帶寬高、碼率大,折射及反射對其影響不大;同時不同頻率信號通過電離層時的折射率不同,通過對比兩路信號的延遲,用計算來消除電離層帶來的誤差,將會使定位精度得到進一步提高。
雙頻甚至多頻聯合定位技術在導航定位領域是已經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合定位功能的實現大多通過板卡或FPGA方式實現,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模應用。雙頻SoC單芯片技術,正是解決雙頻定位技術大規模應用所需具備的基礎技術,也是國際主流發展趨勢。芯片廠商若想參與全球競爭,甚至想擴展國內市場都必須布局雙頻SoC芯片技術和產品。雙頻SoC芯片技術“高能低用”的大眾化市場推廣,將極大地帶動產業鏈下游終端產品升級和換代的規模化需求,同時也將帶動北斗衛星導航產業的整體發展和提升。
芯片技術發展方向3:超低功耗設計,延長待機時間
為了降低芯片功耗,主流衛星導航定位芯片廠商一般采用動態電壓頻率調整技術、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。
通過動態電壓頻率調整技術,當用戶需要高性能的導航接收功能時,可以提高數字時鍾頻率以充分發揮處理器的處理能力,此時動態電壓頻率調整電路會自動將數字邏輯和存儲器的工作電壓提高,保證數字邏輯電路有足夠的工作速度。而當用戶不需要高性能的計算能力時,可以降低數字時鍾以節省功耗,此時動態電壓頻率調整電路又會自動將數字邏輯和存儲器的工作電壓降低,這樣就進一步節省了數字電路的功耗。
極低待機功耗設計可以延長芯片在電池供電條件下的最長待機時間。為了將待機功耗降到最低,可以用具有極低漏電功耗的厚柵氧晶體管設計待機喚醒電路,同時設計具有極低功耗的晶體振盪器電路,保證在極低的待機狀態下也可定時喚醒芯片。目前主流衛星導航芯片在待機狀態下的整體待機功耗可小於2uA,已達到業界主流低功耗MCU芯片的待機功耗性能。
傳統的衛星導航定位芯片一般無法在片上集成不揮發存儲器,因此通常需要在SoC芯片的上面疊放一顆存儲芯片,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。疊放的存儲芯片不僅會增加封裝成本和功耗,而且只能使用串行接口電路,限制了處理器對存儲單元的訪問速度。在衛星導航芯片中使嵌入式存儲器工藝,在芯片內部集成並行接口的存儲單元,即節省了封裝成本,同時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。
隨着智能手機、物聯網、車聯網、無人機等應用的快速發展,精准位置服務需求愈加廣泛。各類大眾化定位終端產品對定位精度的要求已經達到“米級”甚至“亞米級”,傳統高精度板卡大尺寸、高功耗的不足愈加凸顯,已不能滿足高精度大眾化應用的需求,芯片級高精度定位產品是高精度大眾化應用的必然趨勢和產物。民用市場以及物聯網應用市場主要針對各類手持終端、便攜式移動設備、可穿戴設備,芯片級高精度解決方案,具備超低功耗和長時間待機的先天優勢,將極大地提升高精度終端產品的競爭力。
————————————————
版權聲明：本文為博主「安徽京准」的原創文章，轉載請附上原文出處鏈接及本聲明。