1. 從“能用”到“好用”北斗芯片換代的深層邏輯最近業(yè)內(nèi)都在討論一個(gè)消息新一代北斗衛(wèi)星已經(jīng)全面換上了新一代的國(guó)產(chǎn)芯片。這個(gè)消息聽起來(lái)可能有點(diǎn)技術(shù)化但它的影響其實(shí)離我們每個(gè)人的生活都很近。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)這就像是給天上的“導(dǎo)航燈塔”做了一次核心的“心臟移植”手術(shù)把衛(wèi)星的“大腦”和“神經(jīng)系統(tǒng)”全部升級(jí)了。對(duì)于像我這樣長(zhǎng)期關(guān)注衛(wèi)星導(dǎo)航和芯片領(lǐng)域的人來(lái)說(shuō)這絕對(duì)是一個(gè)標(biāo)志性的事件它遠(yuǎn)不止是“國(guó)產(chǎn)化”那么簡(jiǎn)單背后是一整套從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、芯片架構(gòu)到應(yīng)用生態(tài)的深刻變革。很多人可能覺得衛(wèi)星在天上飛只要信號(hào)能發(fā)下來(lái)手機(jī)能定位就行換不換芯片有什么關(guān)系這個(gè)想法其實(shí)忽略了一個(gè)核心問題精度、可靠性和服務(wù)能力的躍升最終都依賴于底層硬件的性能上限。老一代的芯片可能在設(shè)計(jì)之初就是為了滿足“從無(wú)到有”的基本定位需求解決了“有無(wú)”問題。但隨著自動(dòng)駕駛、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、無(wú)人機(jī)物流、物聯(lián)網(wǎng)這些高精度、高可靠、高并發(fā)的應(yīng)用場(chǎng)景爆發(fā)對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星本身的能力提出了前所未有的要求。比如要實(shí)現(xiàn)車道級(jí)的導(dǎo)航衛(wèi)星的測(cè)距信號(hào)必須極其穩(wěn)定和精準(zhǔn)要服務(wù)海量的物聯(lián)網(wǎng)終端衛(wèi)星的信號(hào)處理和播發(fā)能力必須足夠強(qiáng)大。這些都卡在了芯片這顆“心臟”上。所以這次全面換裝其根本驅(qū)動(dòng)力是應(yīng)用需求在倒逼技術(shù)升級(jí)。它不是為了換而換而是北斗系統(tǒng)從提供基礎(chǔ)定位服務(wù)邁向提供高精度、高可靠、高安全的時(shí)空信息服務(wù)這一新階段所必須跨越的技術(shù)門檻。這次升級(jí)直接決定了未來(lái)五年甚至十年北斗能在哪些新興領(lǐng)域扮演關(guān)鍵角色。接下來(lái)我就結(jié)合自己的觀察和理解拆解一下這次芯片換代背后的技術(shù)細(xì)節(jié)、面臨的挑戰(zhàn)以及它將帶來(lái)的實(shí)際改變。2. 新一代芯片的技術(shù)突圍不僅僅是“國(guó)產(chǎn)”標(biāo)簽提到“國(guó)產(chǎn)芯片”外界往往首先想到的是“自主可控”和“解決卡脖子”這當(dāng)然是重中之重尤其是在太空這種極端且無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)維修的環(huán)境下供應(yīng)鏈的安全就是系統(tǒng)生命線。但這次北斗換芯技術(shù)層面的進(jìn)步更值得深挖。它不是在原有設(shè)計(jì)上做簡(jiǎn)單的工藝縮微或仿制而是一次從架構(gòu)到性能的全面革新。2.1 算力與處理能力的跨越衛(wèi)星在軌運(yùn)行要處理的任務(wù)非常復(fù)雜。它要實(shí)時(shí)進(jìn)行軌道計(jì)算和姿態(tài)控制確保自己“站得穩(wěn)、跑得準(zhǔn)”要處理來(lái)自地面控制中心的注入指令要生成和調(diào)制需要向地面發(fā)送的導(dǎo)航信號(hào)還要進(jìn)行星間鏈路通信與其他衛(wèi)星“對(duì)話”以構(gòu)成一個(gè)自主運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)。所有這些任務(wù)都對(duì)芯片的實(shí)時(shí)處理能力和算力提出了極高要求。新一代國(guó)產(chǎn)芯片首先在處理器核心上必然采用了更先進(jìn)的架構(gòu)。我推測(cè)其很可能集成了多個(gè)高性能計(jì)算核心與專用協(xié)處理器如DSP數(shù)字信號(hào)處理器、FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列模塊。導(dǎo)航信號(hào)的生成與調(diào)制特別是新一代北斗特有的B1C、B2a等先進(jìn)信號(hào)調(diào)制方式復(fù)雜如BOC調(diào)制及其衍生方式需要強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理能力。專用DSP或FPGA模塊的加入可以將這些固定算法硬件化在降低主CPU負(fù)載的同時(shí)大幅提升信號(hào)生成的精度和效率。這就像是給衛(wèi)星裝上了一塊專業(yè)的“聲卡”讓它播發(fā)出的導(dǎo)航“聲音”更純凈、更穩(wěn)定。2.2 “抗輻照”與可靠性的極致設(shè)計(jì)太空環(huán)境對(duì)芯片來(lái)說(shuō)是嚴(yán)酷的考驗(yàn)充滿了高能粒子輻射單粒子效應(yīng)和宇宙射線。這些輻射可能導(dǎo)致芯片內(nèi)部的晶體管狀態(tài)翻轉(zhuǎn)軟錯(cuò)誤甚至造成永久性損傷硬錯(cuò)誤。因此航天芯片的核心技術(shù)壁壘之一就是抗輻照Rad-Hard設(shè)計(jì)。新一代芯片在抗輻照方面肯定采用了更深層次的設(shè)計(jì)。這不僅僅是選用特殊的半導(dǎo)體工藝如SOI絕緣體上硅更包括在電路設(shè)計(jì)層面采用三模冗余TMR、糾錯(cuò)編碼ECC存儲(chǔ)器等設(shè)計(jì)。例如關(guān)鍵的邏輯單元和存儲(chǔ)器可能會(huì)同時(shí)部署三套通過投票機(jī)制決定輸出即使一套被輻射打翻系統(tǒng)也能依靠另外兩套做出正確判斷繼續(xù)工作。這種設(shè)計(jì)會(huì)顯著增加芯片的晶體管數(shù)量和設(shè)計(jì)復(fù)雜度但對(duì)在軌長(zhǎng)達(dá)10-15年的衛(wèi)星來(lái)說(shuō)這是確保“永不停機(jī)”的生命線。這次換裝意味著國(guó)產(chǎn)芯片在這些最核心的可靠性設(shè)計(jì)上已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用化、批量化的高水平。2.3 集成度與功耗的平衡藝術(shù)早期的衛(wèi)星電子系統(tǒng)可能由多塊分立的板卡和芯片通過背板連接實(shí)現(xiàn)功能體積大、重量重、連接點(diǎn)多可靠性風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較高。新一代芯片的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是高集成度SoC - System on Chip。我們可以合理推斷新一代北斗衛(wèi)星芯片正在將導(dǎo)航信號(hào)生成器、星載計(jì)算機(jī)、通信控制器等多個(gè)關(guān)鍵單元集成到單顆或少數(shù)幾顆核心芯片中。這種集成帶來(lái)了多重好處一是極大減少了衛(wèi)星內(nèi)部的空間占用和連線讓衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)更緊湊可以搭載更多其他有效載荷比如搜救載荷、星基增強(qiáng)載荷二是降低了系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換的延遲和功耗提升了整體效率三是減少了接插件和焊點(diǎn)從系統(tǒng)層面進(jìn)一步提高了可靠性。當(dāng)然高集成度也帶來(lái)了設(shè)計(jì)難度的飆升和散熱挑戰(zhàn)這需要芯片在架構(gòu)設(shè)計(jì)和封裝工藝上取得突破在提升算力的同時(shí)將功耗控制在衛(wèi)星太陽(yáng)能電池板可支撐的范圍內(nèi)。3. 芯片升級(jí)如何重塑地面體驗(yàn)從信號(hào)到服務(wù)衛(wèi)星芯片的升級(jí)對(duì)于地面用戶來(lái)說(shuō)感知最直接的途徑就是導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量的提升。這并非玄學(xué)而是有實(shí)實(shí)在在的技術(shù)指標(biāo)體現(xiàn)。3.1 信號(hào)質(zhì)量與測(cè)距精度的躍升芯片性能直接決定了導(dǎo)航信號(hào)生成的相位噪聲水平和信號(hào)純度。相位噪聲可以理解為信號(hào)“抖不抖”。如果芯片內(nèi)部的時(shí)鐘電路和信號(hào)生成電路不夠穩(wěn)定產(chǎn)生的導(dǎo)航載波就會(huì)存在微小的、隨機(jī)的相位抖動(dòng)。這種抖動(dòng)傳到地面會(huì)被接收機(jī)誤認(rèn)為是衛(wèi)星與用戶之間的距離發(fā)生了微小變化從而引入測(cè)距誤差。新一代高性能芯片能夠提供更穩(wěn)定、更純凈的本地時(shí)鐘源和更精確的數(shù)字信號(hào)合成從而輸出相位噪聲極低的導(dǎo)航信號(hào)。這意味著地面接收機(jī)接收到的信號(hào)“更干凈”測(cè)量出的衛(wèi)星距離偽距數(shù)據(jù)更“穩(wěn)”。這是所有高精度應(yīng)用的基礎(chǔ)。結(jié)合北斗三號(hào)本身?yè)碛械娜蛐亲托情g鏈路能力衛(wèi)星自身定軌精度提高加上下行信號(hào)質(zhì)量提升最終傳遞到用戶端就是定位精度的實(shí)質(zhì)性改善。特別是對(duì)于精密單點(diǎn)定位PPP等無(wú)需地面差分基站的技術(shù)高質(zhì)量的信號(hào)源至關(guān)重要。3.2 服務(wù)可靠性與完好性的增強(qiáng)除了精度可靠性Availability和完好性Integrity對(duì)很多生命安全類應(yīng)用如民航導(dǎo)航來(lái)說(shuō)甚至更重要?？煽啃灾阜?wù)不間斷的概率完好性指系統(tǒng)及時(shí)告知用戶定位結(jié)果不可用的能力。新一代芯片更強(qiáng)的在軌處理能力使得衛(wèi)星可以運(yùn)行更復(fù)雜的星上自主健康監(jiān)測(cè)與故障診斷算法。衛(wèi)星可以實(shí)時(shí)分析自身信號(hào)的質(zhì)量、功率、頻譜特征一旦發(fā)現(xiàn)異?？梢愿斓叵虻孛孢\(yùn)控系統(tǒng)報(bào)告甚至通過星間鏈路通知其他衛(wèi)星和用戶。這縮短了故障發(fā)現(xiàn)和告警的延遲提升了系統(tǒng)的完好性水平。同時(shí)多核、高可靠的芯片設(shè)計(jì)使得衛(wèi)星具備更強(qiáng)的容錯(cuò)和重構(gòu)能力。即使某個(gè)處理單元出現(xiàn)軟錯(cuò)誤系統(tǒng)可以快速切換到備份單元或者通過軟件重新加載任務(wù)避免整個(gè)服務(wù)中斷。這種“打不死”的特性極大地增強(qiáng)了星座整體服務(wù)的魯棒性確保在復(fù)雜空間環(huán)境下導(dǎo)航信號(hào)服務(wù)能夠持續(xù)穩(wěn)定。3.3 賦能新信號(hào)與新服務(wù)北斗三號(hào)系統(tǒng)相比于北斗二號(hào)增加了B1C、B2a等與GPS L1C、L5等信號(hào)兼容互操作的新民用信號(hào)。這些新信號(hào)采用了更先進(jìn)的調(diào)制方式和電文結(jié)構(gòu)旨在提供更好的抗干擾性、更高的精度和更豐富的服務(wù)內(nèi)容如星基增強(qiáng)、全球短報(bào)文。這些新信號(hào)的生成與播發(fā)對(duì)星載芯片的數(shù)字處理能力提出了更高要求。可以說(shuō)沒有新一代高性能芯片的支撐這些設(shè)計(jì)先進(jìn)的新信號(hào)就無(wú)法以最佳性能狀態(tài)提供給用戶。芯片升級(jí)是釋放北斗三號(hào)系統(tǒng)全部設(shè)計(jì)潛力的關(guān)鍵一步。例如更強(qiáng)大的處理能力可以支持更復(fù)雜的加密與認(rèn)證算法為特定用戶提供更高安全等級(jí)的授權(quán)服務(wù)這在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域意義重大。4. 從芯片到生態(tài)國(guó)產(chǎn)化鏈條的閉環(huán)與挑戰(zhàn)北斗衛(wèi)星全面換裝國(guó)產(chǎn)芯片其意義遠(yuǎn)超單顆衛(wèi)星或單型芯片的成功。它標(biāo)志著從衛(wèi)星設(shè)計(jì)、芯片研制、生產(chǎn)制造到在軌應(yīng)用整個(gè)鏈條實(shí)現(xiàn)了高水平的自主閉環(huán)。4.1 設(shè)計(jì)-制造-應(yīng)用協(xié)同優(yōu)化過去衛(wèi)星總體單位提出需求可能需要去尋找國(guó)外符合條件的宇航級(jí)芯片或者基于商業(yè)級(jí)芯片進(jìn)行加固設(shè)計(jì)流程長(zhǎng)、約束多。現(xiàn)在芯片研制單位如國(guó)內(nèi)專業(yè)的航天微電子研究所可以與衛(wèi)星總體單位從項(xiàng)目初期就深度協(xié)同。衛(wèi)星系統(tǒng)工程師可以直接將未來(lái)任務(wù)對(duì)算力、接口、可靠性、功耗的具體指標(biāo)要求傳遞給芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。這種早期協(xié)同帶來(lái)的好處是巨大的。芯片可以針對(duì)北斗導(dǎo)航任務(wù)進(jìn)行定制化優(yōu)化比如集成特定功能的硬件加速器、預(yù)留未來(lái)軟件升級(jí)的接口帶寬、優(yōu)化星間鏈路通信協(xié)議的處理效率等。這避免了使用通用芯片帶來(lái)的資源浪費(fèi)或性能瓶頸實(shí)現(xiàn)了“量體裁衣”。同時(shí)芯片的制造、封裝、測(cè)試環(huán)節(jié)也可以在國(guó)內(nèi)建立起的宇航級(jí)生產(chǎn)線中完成質(zhì)量和進(jìn)度完全自主可控。4.2 降本增效與迭代加速航天級(jí)器件向來(lái)以高昂成本著稱。實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化批量生產(chǎn)后雖然前期研發(fā)投入巨大但長(zhǎng)期看規(guī)模化效應(yīng)將顯著降低單顆芯片乃至整顆衛(wèi)星的成本。這為北斗系統(tǒng)后續(xù)的補(bǔ)網(wǎng)發(fā)射、技術(shù)驗(yàn)證星發(fā)射乃至下一代系統(tǒng)預(yù)研都提供了更充裕的預(yù)算空間和更靈活的技術(shù)選擇。更重要的是迭代速度得以加快。當(dāng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈自主可控后從發(fā)現(xiàn)問題到改進(jìn)設(shè)計(jì)、流片驗(yàn)證、上車星測(cè)試的周期可以大幅縮短。我們可以更快地根據(jù)在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)反饋優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)將改進(jìn)版本應(yīng)用于后續(xù)批次的衛(wèi)星。這種快速迭代的能力是現(xiàn)代航天競(jìng)爭(zhēng)中的核心優(yōu)勢(shì)之一。4.3 面臨的持續(xù)挑戰(zhàn)當(dāng)然成就之下挑戰(zhàn)依然存在且需要持續(xù)投入。首先是長(zhǎng)期在軌驗(yàn)證。任何芯片在地面經(jīng)過再嚴(yán)格的測(cè)試也無(wú)法完全模擬長(zhǎng)達(dá)十多年的復(fù)雜空間環(huán)境。新一代芯片的可靠性、抗輻照能力的終極考場(chǎng)就是太空本身。需要通過對(duì)早期換裝衛(wèi)星的長(zhǎng)期遙測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)來(lái)積累寶貴的數(shù)據(jù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)并為下一代芯片的改進(jìn)提供依據(jù)。其次是生態(tài)工具的完善。先進(jìn)的芯片需要配套的軟件開發(fā)環(huán)境編譯器、調(diào)試器、仿真測(cè)試平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)軟件庫(kù)。如何讓衛(wèi)星應(yīng)用軟件工程師能高效、便捷地在新芯片平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)發(fā)揮其最大性能是另一個(gè)需要構(gòu)建的“軟實(shí)力”。這涉及到與國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)軟件企業(yè)的協(xié)同。最后是面向未來(lái)的技術(shù)儲(chǔ)備。當(dāng)前芯片性能可能滿足了未來(lái)5-10年的需求但技術(shù)發(fā)展日新月異。人工智能在軌處理、量子導(dǎo)航技術(shù)融合、通導(dǎo)遙一體化等新趨勢(shì)對(duì)未來(lái)星載計(jì)算平臺(tái)提出了近乎無(wú)限的需求。芯片研發(fā)需要保持前瞻性探索新架構(gòu)如存算一體、類腦計(jì)算在航天領(lǐng)域的應(yīng)用可能性。5. 對(duì)下游產(chǎn)業(yè)的漣漪效應(yīng)接收機(jī)與高精度應(yīng)用衛(wèi)星芯片的升級(jí)其效應(yīng)會(huì)像漣漪一樣擴(kuò)散到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的下游最直接的就是北斗導(dǎo)航接收機(jī)產(chǎn)業(yè)。5.1 接收機(jī)芯片與算法的跟進(jìn)地面接收機(jī)為了充分利用天上衛(wèi)星發(fā)出的高質(zhì)量信號(hào)其核心芯片射頻前端、基帶處理芯片和信號(hào)處理算法也需要同步優(yōu)化甚至革新。新一代衛(wèi)星信號(hào)相位噪聲更低、更穩(wěn)定這意味著接收機(jī)在進(jìn)行載波相位跟蹤時(shí)可以設(shè)置更窄的環(huán)路帶寬從而進(jìn)一步抑制噪聲提升載波相位測(cè)量精度——這是實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)乃至毫米級(jí)高精度定位的關(guān)鍵。接收機(jī)芯片廠商需要研究新信號(hào)的特征優(yōu)化其捕獲、跟蹤算法以匹配衛(wèi)星端的信號(hào)改進(jìn)。同時(shí)衛(wèi)星自主健康管理和完好性信息的增強(qiáng)也促使接收機(jī)需要增加相應(yīng)的信息解碼和處理模塊為用戶提供更可靠的質(zhì)量告警。這為國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的導(dǎo)航接收機(jī)芯片設(shè)計(jì)公司如北斗星通、華大北斗等提供了技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)品迭代的新動(dòng)力。5.2 高精度應(yīng)用場(chǎng)景的深化與拓展芯片升級(jí)帶來(lái)的系統(tǒng)性能整體提升最終將灌溉到各個(gè)高精度應(yīng)用場(chǎng)景。在智能駕駛領(lǐng)域更穩(wěn)定、更精準(zhǔn)的衛(wèi)星原始觀測(cè)數(shù)據(jù)與車載IMU慣性測(cè)量單元、高精度地圖融合后能提供更連續(xù)、更可靠的車道級(jí)定位。在衛(wèi)星信號(hào)被短暫遮擋如隧道、城市峽谷時(shí)高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)也有助于提升慣性導(dǎo)航的推算精度和信號(hào)重捕獲速度。在無(wú)人機(jī)物流與巡檢中精準(zhǔn)的定位是無(wú)人機(jī)自主飛行、精準(zhǔn)投送和航線復(fù)現(xiàn)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)級(jí)精度的提升意味著無(wú)人機(jī)可以在更復(fù)雜的空域安全、高效地作業(yè)降低對(duì)地面基站的依賴。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面自動(dòng)駕駛拖拉機(jī)、變量施肥播種機(jī)依賴高精度定位。系統(tǒng)可靠性的增強(qiáng)減少了因定位信號(hào)異常導(dǎo)致的作業(yè)中斷提升了農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的效率和穩(wěn)定性。在物聯(lián)網(wǎng)IoT領(lǐng)域北斗的全球短報(bào)文服務(wù)與定位功能結(jié)合為遠(yuǎn)海、深山、荒漠等無(wú)地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的設(shè)備提供了核心的通信與位置感知能力。衛(wèi)星端處理能力的增強(qiáng)可以支持更高效的協(xié)議和更大的用戶容量推動(dòng)“空天地海”一體化物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建。5.3 催生新業(yè)態(tài)與新模式當(dāng)時(shí)空信息的獲取成本更低、精度更高、可靠性更強(qiáng)時(shí)會(huì)催生出現(xiàn)階段我們可能還無(wú)法完全想象的新業(yè)態(tài)。比如與數(shù)字孿生結(jié)合對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施、大型工程進(jìn)行毫米級(jí)形變監(jiān)測(cè)從“定期檢測(cè)”變?yōu)椤皩?shí)時(shí)感知”與人工智能結(jié)合實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感影像的實(shí)時(shí)在軌處理和目標(biāo)識(shí)別將“原始數(shù)據(jù)下傳”變?yōu)椤靶畔a(chǎn)品下傳”極大減輕地面數(shù)據(jù)中心的壓力。這次北斗衛(wèi)星的芯片換裝不僅僅是單一部件的技術(shù)進(jìn)步。它是一個(gè)強(qiáng)烈的信號(hào)表明中國(guó)北斗系統(tǒng)正在從“建設(shè)好用”的階段堅(jiān)定地邁向“應(yīng)用好用”和“引領(lǐng)創(chuàng)新”的新階段。它夯實(shí)的是整個(gè)國(guó)家時(shí)空信息服務(wù)的底座而這個(gè)底座越牢固、越先進(jìn)上面所能承載的創(chuàng)新應(yīng)用生態(tài)就會(huì)越繁榮。對(duì)于我們從業(yè)者而言這意味著更多的技術(shù)挑戰(zhàn)也意味著更廣闊的市場(chǎng)機(jī)遇。接下來(lái)要做的就是吃透這些來(lái)自天上的“新信號(hào)”在地面創(chuàng)造出真正改變行業(yè)、服務(wù)社會(huì)的價(jià)值。