通信集成电路系列

前沿报告

（2018年）

中国通信学会

2018年12月

版权声明

本前沿报告版权属于中国通信学会，并受法律保护。转

载、摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点的，应注

明“来源：中国通信学会”。违反上述声明者，本学会将追

究其相关法律责任。

专家组和撰写组名单

专家组：

组长：

刘迪军 大唐电信科技产业集团首席科学家

集成电路专委会主任委员

副组长：

邓中亮

北京邮电大学 处长/教授

集成电路专委会副主任委员

成员(以姓氏笔划为序)：

姓名 单位 职务

高 洵 武汉大学电子信息学院 网络通信与

SoC实验室 主任/副教授

任俊彦 复旦大学专用集成电路与系统国家

重点实验室 教授

赵淑清 大唐微电子技术有限公司 主管/高工

周 军 电子科技大学通信与信息工程学院 教授

撰写组(按单位排名)

姓名 单位 职务

邓中亮 北京邮电大学 处长/教授

符 竞 武汉大学电子信息学院网络通信与

SoC研究室 研究助理

高 洵 武汉大学电子信息学院 网络通信与

SoC实验室 主任/副教授

韩 可 北京邮电大学 讲师

任俊彦 复旦大学专用集成电路与系统国家

重点实验室 教授

叶 凡 复旦大学 副研究员

张 博 武汉大学电子信息学院 网络通信与

SoC实验室 研究助理

周 军 电子科技大学通信与信息工程学院 教授

前 言

随着智慧社会的快速发展，科学技术从微观到宏观各个尺度向纵

深演进，学科多点突破、交叉融合趋势日益明显。各重大科学问题的

原创性突破正在开辟新前沿与新方向，智慧化成为了新经济、新产业、

新业态、新模式的最重要动能。芯片是智慧化的“皇冠上的明珠”，

将是物理时空、信息时空与智慧时空有机统一的重要手段。新型的智

慧芯片将不再简单依赖于既设指令和预先训练数据，而是具备了类人

的推理和演绎能力。围绕芯片这一核心大脑，通过智能的传感器完成

物理时空感知，通过广域的通信网络实现信息的互联互通，从而无限

延伸人类的视觉、听觉、触觉和感觉。

5G 移动通信、北斗导航、电动汽车、人工智能分别对应时空感

知、通信网络、物质位移以及运算核心。其融合交错式发展离不开相

关领域芯片的关键突破，并将对人类生产方式、生活方式乃至思维方

式将产生前所未有的深刻影响。因此，我们需要顺应智慧化的发展趋

势，着力培育建立应用牵引、开放兼容的芯片核心技术自主生态体系，

全面梳理和加快推动芯片技术关键领域新技术研发与产业化，推动芯

片产业升级取得突破性进展。

目 录

一、5G基站毫米波前端芯片关键技术发展 .......................... 1

(一) 研究概述 ................................................ 1

(二) 全球发展态势 ............................................ 2

(三) 我国发展现状 ............................................ 4

(四) 技术预见 ................................................ 5

(五) 工程难题 ................................................ 6

(六) 政策建议 ................................................ 8

二、北斗导航芯片关键技术发展 ................................. 10

(一) 研究概述 ............................................... 10

(二) 全球发展态势 ........................................... 12

(三) 我国发展现状 ........................................... 18

(四) 技术预见 ............................................... 27

(五) 工程难题 ............................................... 42

(六) 政策建议 ............................................... 46

三、电动汽车智能充电网络关键技术发展 ......................... 52

(一) 研究概述 ............................................... 52

(二) 全球发展态势 ........................................... 53

(三) 我国发展现状 ........................................... 55

(四) 技术预见 ............................................... 56

(五) 工程难题 ............................................... 59

(六) 政策建议 ............................................... 61

四、人工智能芯片关键技术发展 ................................. 63

(一) 研究概述 ............................................... 63

(二) 全球发展态势 ........................................... 65

(三) 我国发展现状 ........................................... 69

(四) 技术预见 ............................................... 70

(五) 工程难题 ............................................... 71

(六) 政策建议 ............................................... 73

1

一、5G 基站毫米波前端芯片关键技术发展

(一) 研究概述

5G是面向 2020年之后产业发展的新一代移动通信系统。5G移动

通信系统将具有超高的频谱利用率和超低的功耗，传输速率和资源利

用率等较 4G 移动通信提高一个量级，其无线覆盖性能和用户体验将

得到显著提升。5G 技术与其他通信技术相结合，构成的新一代移动

信息网络，将满足未来 10年移动互联网流量增加 1000倍的需求。随

着 5G 移动通信系统应用领域的拓展，将提升海量传感设备及机器与

机器通信、高可靠低时延行业应用的支撑能力，5G 将构成系统设计

不可缺少的指标。未来 5G 系统具有网络自感知智能化能力，实现网

络自我调整，灵活应对未来信息社会的快速变化。按照业界的共识，

移动互联网和物联网是未来 5G主要应用领域。5G典型场景涉及未来

人们生活和工作等各种区域，特别是密集住宅区、办公室、露天集会

及交通等场景。这些应用场景具有超高流量和连接数密度以及超高移

动性等特征，对未来 5G能力构成了挑战。

相比 4G，5G将在理论上带给手机空口速率 10倍以上的提升以支

持更大带宽的通信;同时 5G 要求空口时延从 10ms 下降至 1ms 量级，

以支持车联网、工业互联网等场景。

根据通信原理，无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的 5%

左右，因此载波频率越高，可实现的信号带宽也越大。在毫米波频段

中，28GHz、39GHz和60GHz频段是最有希望使用在5G的频段。28/39GHz

频段的可用频谱带宽可达 1GHz，而 60GHz 频段每个信道的可用信号

带宽则到了 2GHz（整个 9GHz 的可用频谱分成了四个信道）。相比而

2

言，4G-LTE频段最高频率的载波在 2GHz上下，而可用频谱带宽只有

100MHz。 因此，如果使用毫米波频段，频谱带宽轻轻松松就翻了 10

倍，传输速率也可得到巨大提升。未来的 Beyond 5G 技术可能采用

140GHz 的载波频段，实现吉赫兹的连续通信带宽，从而实现更宽带

更高速的无线互联。

毫米波相比于传统 6GHz 以下频段的一个特点就是天线的物理尺

寸可以比较小。这是因为天线的物理尺寸正比于波段的波长，而毫米

波波段的波长远小于传统 6GHz以下频段，相应的天线尺寸也比较小。

因此可以方便地在移动设备上配备毫米波的天线阵列，从而实现各种

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，指在发射端和接收端分别

使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天

线传送和接收，从而改善通信质量）技术，包括波束成型。

毫米波频段的另一个特性是在空气中衰减较大，且绕射能力较

弱。毫米波在空气中衰减非常大这一特点也注定了毫米波技术不太适

合使用在室外手机终端和基站距离很远的场合。 各大厂商对 5G频段

使用的规划是在户外开阔地带使用较传统的 6GHz 以下频段以保证信

号覆盖率，而在室内则使用微型基站加上毫米波技术实现超高速数据

传输。因此，毫米波通信技术必须满足微型基站的小型化和高能效需

求。

(二) 全球发展态势

在世界范围内很多国家的运营商都在进行毫米波频段的 5G 系统

研究以及验证工作。在北美，美国 AT&T 和 Verizon 等运营商都积极

投身于发展高频 5G技术，其中 AT&T则通过收购 Fiber Tower获得了

3

39GHz附近的频段资源；而 Verizon在美国国家仪器（NI）公司的支

持下，于 2017年 3月展示了全球首款实时 28GHz Verizon 5G无线原

型系统，其峰值数据传输速率可达 5Gbit/s，扩展为 8 组 MIMO 后可

超过 20Gbit/s，并有计划在 2018年下半年开展试商用。2018年 1月

美国 T-Mobile、Nokia和 Intel也在华盛顿测试 28GHz高频系统。美

国运营商主要将高频通信用于向用户提供固定无线宽带接入业务。在

2018 年 2 月加拿大 Telus 和华为在温哥华测试 28GHz 系统同样是提

供固定无线宽带接入业务。

在亚洲，日本运营商 NTT docomo 在 2017 年第三届东京湾全球

5G 峰会期间联合华为首次完成基于 3GPP 5G 新空口的 39GHz 高频技

术测试，实现了三方实时 4K高清视频会议。韩国电信（KT）已于 2018

年 2 月在平昌东奥会上实现 28GHz 的 5G 网络应用，采用是北美运营

商的 V5G系统。

在欧盟，欧盟委员会在 2016年 9月份公布 5G行动计划，建议以

24GHz以上频段作为欧洲 5G潜在频段，24.25~27.5GHz频段作为欧洲

5G 先行频段，并建议欧盟各成员国保证 24.25~27.5GHz 频段的一部

分在 2020 年前可用于满足 5G 市场需求。2017 年 7 月英国运营商

Arqiva和三星测试了 28GHz系统性能。

随着 5G 研究的不断推进，国际上已积极开展了高频段通信用芯

片研究及系统验证，频段主要集中在 28GHz、V波段(60GHz)及 E波段

(70GHz)频段。

美国 SiBEAM 公司采用 CMOS 工艺实现了 60GHz 16 路单片集成相

控阵系统，其通信速率可达 4Gbit/s；比利时鲁汶 IMEC 微电子中心

于 2012年发布 60GHz全集成收发系统，该系统采用 40nm CMOS工艺，

4

其通信速率可达 7Gbit/s；美国博通公司（Broadcom Corporation）

采用 16 路相控阵实现了 60GHz 收发系统，该系统采用 16QAM 调制，

其通信速率为 3.6Gbit/s。除此之外，国际商业机器公司（IBM）与

爱立信（Ericsson）于 2017 年 2 月发布了工作在 28GHz 的相控阵列

天线模块；英特尔（Intel）于 2017 年 11 月发布了 XMM 8060 5G 多

模基带芯片，该芯片同时支持 6GHz 以下频段和 28GHz 毫米波频段；

诺基亚与日本 NTT docomo 采用商用 E 波段射频收发机芯片，在

73.5GHz开展了毫米波高频段通信系统验证，其可支持带宽为 1GHz。

对比看来，我国在高性能高频器件（包括设计、封装及测试等方面）、

原型系统验证等方面还存在较大差距，需要进一步开展创新性研究与

开发工作。

(三) 我国发展现状

在过去 3 个五年计划中，我国在 863、973 等科研计划中部署了

移动通信重大项目，推动了“新一代宽带无线移动通信网”重大专项

的组织实施，由此极大地提高了我国移动通信技术研发水平，促进了

我国移动通信产业的跨越发展。“新一代宽带无线移动通信网”重大

专项开展了 5G总体框架与无线新技术的研究，为我国 5G关键技术的

研究进行了布局。

2016 年开始，“新一代宽带无线移动通信网”5G 研发项目聚焦

在 5G 重点场景、支持重点关键技术方案、关键器件研发，为国际标

准化推动做好准备。主要包括：5G 总体及关键器件、5G 无线技术、

5G网络与应用三个部分。研究内容包括针对 3GPP国际标准研究推进、

高性能 AD/DA、基站功率放大器等关键器件，重点开展了高频段关键

5

技术方案的研究。工业和信息化部已于 2017 年 7 月批复

24.75-27.5GHz和 37-42.5GHz用于 5G技术研发测试。

2018 年 2 月，华为与德国电信联合宣布，双方成功完成全球首

次 5G 高阶毫米波多小区网络验证。本次验证中，德国电信 5G haus

和华为一起使用 73GHz（E-band）频段，在德国电信波恩园区构造了

多种实际场景，验证了毫米波在室外和室内部署中的性能及传播特

征。

国内学术机构在毫米波集成电路领域取得了一批良好的研究成

果。东南大学采用混合多波束结构，在 28GHz 基于 64 通道的多波束

阵，已经能够支持 50Gbps的传输速率，频谱利用率超过了 100%。中

国电科 14 所成功研制 5G 毫米波大规模 MIMO 天线，采用先进的多波

束相控阵天线技术，解决了大规模天线架构设计和集成、智能化波束

赋形控制等多项关键技术，可实现动态多波束精确扫描覆盖。复旦大

学实现了 76-102GHz 的超宽带毫米波振荡器和 131GHz 超可再生接收

机，提出了毫米波频段的采样前端电路设计方法，实现 32GS/s 的毫

米波采样电路和正交相位可调采样时钟电路。中科院微电子所采用 4

路交织技术和分段式电流舵架构，成功研发出超高采样率、宽频带的

30Gsps 6bit超高速模拟数字转换器（ADC）和数字模拟转换器（DAC）。

清华大学、天津大学、电子科大等高校也在毫米波通信系统与集成电

路领域开展了诸多卓有成效的工作。

(四) 技术预见

总体来说，毫米波频段通信面临的挑战主要受限于高频器件，相

关的高频核心器件主要包括：功率放大器、低噪声放大器、锁相环电

6

路、滤波器、高速高精度数模及模数转换器、阵列天线等。

1、为满足更高阶调制方式及多用户通信等需求，高频功率放大

器、低噪声放大器需要进一步提升输出功率、功率效率、及线性度等

性能；

2、锁相环系统需要进一步改善其相位噪声及调谐范围等性能；

3、滤波器需要提升其带宽、插入损耗等性能；

4、数模及模数转换器件要求满足至少 1GHz的信道带宽的采样需

求，提高精度并降低功耗；

5、新型的高频阵列天线需要满足高增益波束和大范围空间扫描

等方面需求。

6、作为 5G高频段通信系统走向实用化的关键步骤，低成本、高

可靠性的封装及测试等技术也至关重要。

(五) 工程难题

毫米波通信芯片技术的关键工程难题包括：

1、适合大规模阵列天线的 AiP技术

所谓 AiP（Antenna in Package），就是片上天线，和传统的微

带天线相比，主要区别是把介质基板换成了芯片上面的封装。AiP最

近两年其实发展比较快，这和毫米波的发展是离不开的。毫米波段波

长在 1-10mm 这个量级。片上天线的尺寸可以小于一般的芯片封装。

这就为 AiP的实用带来了新的机遇。以 60GHz为例，片上天线单元仅

为 1-2mm（考虑到封装具有一定的介电常数），因此芯片封装不但可

以放得下一个单元，而是可以放得下小型的收发阵列。频段越高频、

天线越小， 5G时代天线将以 AiP技术与其他零件共同整合到单一封

7

装内。

2、模拟波束合成的技术。

波束合成是目前 5G 的毫米波技术主流，天线模组不再使用全向

发射，而是选择定向发射。把能量聚集在一个波束，从而使得能量能

够传输得更远，以提高覆盖。利用多个天线形成相控天线阵列，天线

之间的信号经过互相干涉影响，能把信号能量集中在一个方向发射出

去。其主要包括三个部分，第一部分为毫米波天线，通常每根天线会

耦合一个收发机。毫米波收发机主要包括功率分配，毫米波功率放大

器，低噪声放大器，开关，移相器等，这些模块是实现模拟波束合成

的核心部件。变频器部分相对简单，主要是毫米波的上变频和下变频

模块。为了实现低功耗，小型号，这就要求采用适合波束成形的相控

阵毫米波 SoC 芯片。如果能单芯片上集成多通道发射机、接收机、

相位控制、增益控制和混频器等功能，与多天线系统相配合，将大大

优化基站的体积、成本和可靠性。

3、高效率超宽带毫米波功率放大器 PA（Power Amplifier）。

根据阵列系统和工作频段的范围以及可实现的工艺器件技术基

础，研制 Si RF CMOS、GeSi BiCMOS、GaAs PHEMT和 GaN HEMT、InP

DHBT 等工艺的毫米波 PA，实现多频段多功率等级的覆盖。在毫米波

通信基站、点传通信等设备中，GaN 和 GaAs 是最佳的选择；在终端

设备中，GaAs和 GeSi是比较优的选择。目前国内在毫米波功率放大

器芯片研究方面处于较弱势的地位，民用毫米波器件基本上尚处于初

步阶段，特别是在可工程应用的大功率 PA 方面，民用产业需求全靠

进口，价格高昂且进口受到多重管控，在毫米波设备大规模部署前，

这个领域急需突破。功放的设计关键技术包括输出匹配拓扑电路、级

8

间匹配、天线的负载牵引效应和小型化等。

4、高能效数据转换技术

在毫米波通信系统中，使用约 1-2GHz 的带宽来实现高速的传输

速率。然而，在如此频段上进行高速传输，技术上的挑战之一是需要

设计高速率，高精度的模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）。毫

米波通信中的模数/数模转换器的信号带宽要求在吉赫兹以上，目前

国内的研究成果尚不能满足 20GHz-45GHz频率下的毫米波通信应用。

在实现高速的同时，为提高能效，高性能模数转换器的设计技术需要

结合多通道时间交织的高速架构和逐次逼近型的高能效通道，采用免

静态功耗的放大器结构如开环动态放大器、过零比较放大器、振铃式

运算放大器等，并通过辅助的数字校准电路提高这些新型放大器的线

性度。

(六) 政策建议

5G 移动通信技术研究开发已进入关键时期。尽管 ITU 已经明确

了 5G 的关键技术指标，并给出了 5G 的商用化进程时间表，但 5G 发

展仍然面临较大的不确定性。5G 未来发展将沿着几种完全不同的技

术路线发展演进，其中高频段发展路线尚不清晰。为增强我国 5G 毫

米波技术能力，建议政策关注如下几点:

1、强化毫米波及太赫兹等新型频谱资源开发利用、基础技术及

关键器件的研发。我国在这一领域的研发基础相对薄弱，尚未系统地

掌握这一领域的关键技术与关键器件，势必影响到我国 5G 移动通信

产业的长远发展。目前我国已初步掌握了单通道毫米波与太赫兹系统

与器件技术，未来应重点攻克天线及射频通道数达到数百至数千时的

9

系统与终端设计技术、一体化天线、混合构架波束成形集成电路设计

技术、数模混合集成电路与射频封装技术、设计与加工工艺等关键技

术，并针对毫米波与太赫兹频段的有效利用，开展基础理论和方法研

究。

2、加强 5G跨界融合。鼓励和协调国内外产业界以及更多垂直行

业尽早参与研发规划，使 5G 的研发能与“互联网+”、“中国制造

2025”有机衔接。强化无线通信技术与 IoT、安检安放、高速光通信、

先进计算和大数据技术的深度交叉融合研究。无线通信技术发展已逐

步趋于性能极限，未来发展趋势体现出大规模射频天线技术与高速光

互联、云计算、大数据、新型微电子与光电子器件密切结合与相互融

合的特征，从而应对互联网络业务爆炸式增长与多样性发展的应用需

求。应破除传统学科条块分割的限制，以系统应用为牵引，强化学科

交叉融合研究。

10

二、北斗导航芯片关键技术发展

(一) 研究概述

作为国家重大空间信息基础设施，我国北斗卫星导航系统自 2012

年底正式提供服务以来连续稳定运行，目前北斗系统进入全球组网新

时代，应用产业呈现快速发展，成为国家名片。

2018 年底将建成北斗三号基本系统，为“一带一路”沿线国家

提供服务；2020年，建成世界一流的北斗三号系统，提供全球服务；

2035 年，建成以北斗为核心的综合定位导航授时体系。北斗将以崭

新姿态、更强能力、更好服务，造福人类，服务全球。

图 2-1 BDS 发展进程

2017 年 11 月 5 日，北斗三号第一、二颗组网卫星发射成功，

开启北斗卫星导航系统全球组网新时代。此后，中国先后于 2018 年

1 月 12 日、2 月 12 日和 3 月 30 日，各以“一箭双星”方式成

功发射北斗三号第三、四、五、六、七、八颗组网卫星，中国北斗卫

11

星导航系统进入全球组网的密集发射阶段。2018 年北斗三号计划实

施 10 次发射任务，共发射 18 颗卫星，目标年底为“一带一路”沿

线国家和地区提供基本服务，并为 2020 年完成 35 颗卫星组网、实

现全球服务打下关键基础。2018 北斗正式进入全球组网阶段，服务

区域实现从中国及亚太地区向全球覆盖的跨越。

随着我国北斗卫星导航系统的不断发展和完善，北斗卫星导航系

统覆盖区域逐渐扩大，2020 年将实现全球覆盖，国家“一带一路”

战略中明确指出我国要大力推动卫星相关产品和元器件的出口。这必

将促进 GNSS 产品市场对高性能北斗导航芯片需求的快速增长。自北

斗重大专项实施以来，北斗基础产品中的芯片研发也有了长足的进

步，初步形成了以自主芯片为基础的芯片、模块、天线、板卡、终端

以及应用解决方案的北斗产业链。

图 2-2 第三代北斗芯片发布

据介绍，北斗芯片目前累计销量已突破 5000万片。最关键的是，

国产北斗芯片实现规模化应用还在继续增加，工艺由 0.35 微米提升

到 28 纳米，最低单片价格仅 6 元人民币，总体性能达到甚至优于国

际同类产品。此外，目前北斗芯片的高精度 OEM板和接收机天线已分

12

别占国内市场份额的 30%和 90%。除苹果外，大部分主流手机芯片均

已支持北斗导航定位。

然而，作为卫星导航芯片研发的后起力量，国产北斗导航芯片依

然处于初始阶段，研发基础薄弱、经验积累不足，与国际一流水平仍

有不小的差距。因此，我国北斗导航芯片产业依然面临着严峻的竞争

形势，需要加快高性能芯片的的研发进程，抢占高性能北斗导航芯片

研发领域的制高点。

(二) 全球发展态势

全球卫星导航系统（GNSS）是所有卫星导航定位系统的总称，又

称天基 PNT 系统，是整个卫星导航产业链中最基础和必不可少的部

分。

图 2-3 Trimble RTX 覆盖区卫星播发精度地图

2020 年前，全世界将有四大全球导航卫星系统：现有的美国的

GPS 和俄罗斯的 GLONASS，欧盟建成的 Galileo 和我国正在建设的

DBS，此外，多种星基增强系统（SBAS）正在被建设和完善，例如，

美国联邦航空局（FAA）、欧洲和日本分别提出了 WAAS、EGNOS 和 MSAS

13

系统来增强现有的 GPS 和 GLONASS 系统的导航性能，多卫星导航及

其增强系统共存的局面已经形成。

芯片是卫星导航应用产业的核心部件，芯片的关键技术主要包括

接收信号的射频（RF）及处理信号的基带（Baseband，BB）。由于卫

星导航信号来自于距离地面 20000 km 以上的高空，信号非常微弱且

不稳定，因此当天线接收信号后经过放大、过滤噪声、降频、取样等

一连串过程，再经过射频检测处理后，信号进入基带处理部分，将前

段取样的数字信号经过运算、输出以便于用户接口使用，其中基带

DSP 芯片就是核心组件，负责地址信号的处理。信号处理过程如图

2-4所示。

图 2-4 导航信号处理过程

据麦姆斯咨询报道，到 2022 年，全球导航卫星系统（GNSS）芯

片市场规模预计将达到 52.2 亿美元，2016-2022 年期间的复合年增

长率（CAGR）将达到 7.90%。GNSS芯片市场增长的主要驱动因素包括：

电子设备、可穿戴设备和连接设备的高度渗透；对精确和实时数据的

14

需求日益增长；对高速互联网和如 4G/5G 等网络覆盖需求的持续上

升；以及物联网（IoT）的日益普及。报告基于设备、垂直行业、应

用和地区对 GNSS芯片市场进行细分

卫星导航产业是一个完整的全球性产业，主要产品结构如图 2-5

所示。

图 2-5 卫星导航产业主要产品结构

导航芯片是包含 RF 射频芯片、基带芯片及微处理器的芯片组，

相关设备通过导航芯片，可以接受由卫星发射的信号，从而完成定位

导航的功能。RF 射频芯片就是通过固定频率（即频点）接收或发射

信号，目前有单频点、双频点、多频点以及多系统多频点等多种类型，

是芯片中成本最大的部分。基带芯片是用来合成即将发射的基带信

号，或对接收到的基带信号进行解码。基带算法是影响定位精度的核

心因素之一，然而目前拥有相关算法专利的公司大多被博通等大企业

收购，从事卫星导航芯片的企业（包括国内北斗芯片厂家）很难绕过

这一专利壁垒。目前常用的基带芯片大多采用基于 ARM7TDMI 内核的

微处理器，基带芯片及微处理器一般是信息处理的部分。

15

卫星导航接收机的硬件系统主要由天线单元、射频单元、基带处

理单元、微处理器和电源等模块组成。随着超大规模集成电路和数字

信号处理技术的发展，原来的分立元件的接收机设计成芯片，使得体

积、功耗、重量、成本进一步降低，性能进一步提高。卫星导航接收

机专用芯片组的核心部件包括射频信号处理芯片（射频芯片）、基带

信号处理芯片 ( 基带芯片 ) 和微处理器芯片。将射频芯片、基带芯

片和微处理器合而为一的单芯片可以提高产品的性能和可靠性、降低

体积、功耗和成本，是卫星导航产品发展的趋势。

北斗、Galileo、QZSS、GPS 和 GLONASS 的发展，以及对用户在

城市峡谷和室内环境中的定位需求，共同推动了 GNSS 大众市场接收

设备的发展。GNSS 接收机在大众市场中最主要的用途是基于位置的

服务，其次是物联网和便携式导航设备。

国际上知名芯片开发企业有博通、英特尔、联发科、高通、展讯

通讯、意法半导体、 德州仪器 和 U-blox等，国内导航芯片企业有

北斗星通、东方联星、国腾电子、泰斗微电子、华力创通等。

图 2-6 高通公司 MSM8974 芯片

在导航芯片研发领域，国际知名公司拥有绝对的实力。

16

表 2-1 GPS导航模块产家

PND大厂 芯片解决方案产商 代工产商

TomTom SiRF, Global Locate 英华达，广达

Garmin SiRF Garmin

Mio SiRF 神达

Magellan SiRF 金宝，泰金宝

Navman SiRF 神达，伟创力

美国早在 1994年就完成 24颗 GPS卫星的布设，并于当年开始提

供全球民用化服务，创造并垄断了市值巨大的卫星导航芯片产业。尽

管北斗终端销量不断提升，但目前我国绝大部分的导航终端仍采用美

国 GPS芯片，其占有率高达 95%。表 2.2给出了一些典型的导航芯片

性能参数比较。

市场上各式导航芯片解决方案的整合，使得芯片市场正面临极大

的变量。首先是「小型化」，回顾导航芯片近年来的发展历史，随着

导航芯片与其它产品相继结合，且强调终端产品体积讲求轻薄短小，

导航芯片走向系统单芯片化已是必然趋势。目前厂商针对 GPS单芯片

化的作法，可分射频或基频单一芯片，并整合了更多功能性。在射频

芯片部分，已有多家厂商将放大器、滤波器、降频器、频率合成器及

振荡器等整合在一块芯片上；在基频部分，则是整合了 CPU、存储器

（DRAM、SRAM、Flash）、Power Manager及 Clock等。

随着制造工艺的提高，芯片的体积更小、集成度更高。芯片制造

工艺在 1995 年以后，从 0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.15

17

μm、0.13μm、0.11μm、90nm、80nm、65nm、55nm、40nm、28nm 一

直 发 展 到 20nm 制程。芯片行业的 40nm、28nm 工艺都已经很成

熟。

表 2-2 典型导航芯片性能对比

芯片型号 UBLOX7020 UBLOX8030 SIRF4 9333 MT3332/MT3336 BCM4751/BCM4752/BCM475

31

厂家 UBLOX UBLOX CSR MTK BROADCOM

GNSS GPS或 GLONASS GPS+GLONASS+BEIDOU

只能两两混合定位 GPS

GPS+GLONASS+BEIDOU

只能两两混合定位/GPS

GPS/GPS+GLONASS/GPS+GL

ONASS+BEIDOU

通道数 56 72 48 未知 未知

处理器架构 cortex-m3 cortex-m3 ARM7 ARM7 未知

相关模块 UBLOX官方提供 NEO7 模

块

UBLOX官方提供 NEO7 模

块 无 无

ampak正基模块

Ap6251(GPS+wifi）

AP6476（GPS+wifi+FM+BT）

供电电压 3.3V 3.3V 1.8V 3.3V 3.3V

捕获模式功耗

（经验值） 3.7Vx30mA 3.7V x 32mA 3.7V x 40mA 未知 未知

跟踪模式电流 相对捕获模式低 5 到

10mA

相对捕获模式低 5 到

10mA

相对捕获模式低 5

到 10mA 未知 未知

封装尺寸

A:5.0 5.0 x 0.55

QFN40封装 0.4mmpitch

B:2.99 x 3.21 mm

WL-CSP47 0.4mm pitch

A:5.0 5.0 x 0.55

QFN40封装 0.4mmpitch

B:2.99 x 3.21 mm

WL-CSP47 0.4mm pitch

3.5 x 3.2 x 0.6mm

WL—CSP42

0.5mm pitch

5.0 5.0 x 0.55mm

QFN48

12 x 12 mm

Stamp type 44

BOM成本

（仅参考） ￥27 未知 ￥30左右 未知 未知

总体来说，目前卫星导航芯片正向小型化、低功耗、高灵敏度、

单芯片化、多模化（GPS/GLONASS/其它系统的兼容型）、以及导航芯

片与通讯、室内穿透能力、多媒体和辅助 GPS 定位技术（AGPS）融

合的集成化等方向发展，卫星导航芯片接受方案也发生着由纯硬件到

纯软件的多样性变化。

18

(三) 我国发展现状

北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主建设、独立运行的卫星

导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航

和授时服务的国家重要空间基础设施。20 世纪后期，中国开始探索

适合国情的卫星导航系统发展道路，逐步形成了三步走发展战略：

1）2000 年年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；

2）2012 年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；

3）计划在 2020 年前后，建成北斗全球系统，向全球提供服务 。

我国北斗芯片产业链初步形成，产业链上游包括基础产品、基础

软件和基础数据。其中基础产品中又包括天线、芯片和板卡；中游主

要分为系统集成和终端集成；下游为运营服务。

表 2-3 北斗行业产业链分类

北斗导航产业链分类

上游

北斗导航天线 中海达、四创电子、盛路通信

北斗终端芯片 国腾电子、北斗星通、海格通信、

华力创通、盈方微

板卡 四创电子、合众思壮、

同洲电子

导航地图 四维图新、超图软件、

华测导航

中游 北斗导航终端产品

中国卫星、启明信息、同洲电子、

耐威科技、欧比特、

烽火电子、达华智能

下游 北斗导航运营服务

振兴科技、数字政通、

大唐电信、银江股份、

杰赛科技

打造北斗芯片开发平台，北斗系统对待 GPS 等其它导航系统的

逻辑是“兼容”和“自主可控”。一方面，北斗系统不排斥 GPS，探

19

索与 GPS等其它导航系统的兼容和互相操作，以增加定位精度和服务

质量；另一方面，中国需要独立自主掌握卫星导航技术如下图所示上

中下游企业分类：

1、北斗系统建设和运行

北斗二号性能稳中有升。五年来，系统连续稳定运行，定位精度

由 10 米提升至 6 米。增加 4 颗备份卫星， 2 颗已发射入轨。建

设北斗地基增强系统，形成全国“一张网”，可提供实时厘米级高精

度服务。建成全球连续监测评估系统，具备对北斗、 GPS、格洛纳斯、

伽利略四大系统监测评估能力。

图 2-7 北斗地基增强系统基站覆盖情况

北斗三号组网拉开大幕。继承北斗特色，对标世界一流，增加星

间链路、全球搜索救援等新功能，播发性能更优的导航信号。发射 5

颗试验卫星，星载原子钟天稳定度达 E-15 量级，定位精度 2.5 至 5

米，较北斗二号提升 1 至 2 倍。同步开展北斗星基增强系统建设。

2017 年 11 月 5 日，首批组网双星成功发射。

20

2、北斗系统产业和应用

已形成北斗完整产业链，北斗在国家安全和重点领域标配化使

用，在大众消费领域规模化应用，正在催生“北斗+”融合应用新模

式。北斗基础产品实现历史性跨越。五年前，国内没有一片国产北斗

芯片。现如今，已有坚强的“北斗芯”。国产北斗芯片实现规模化应

用，工艺由 0.35 微米提升到 28 纳米，最低单片价格仅 6 元人民

币，总体性能达到甚至优于国际同类产品。目前，国产北斗芯片累计

销量突破 5000 万片，高精度 OEM 板和接收机天线已分别占国内市

场份额 30%和 90%。基于北斗的高精度服务，已用于精细农业、危房

监测、无人驾驶等领域。

图 2-8 中国高精度卫星导航定位应用产业链结构图

3、产业发展总体分析

根据《中国卫星导航与位臵服务产业发展白皮书》，2016 年我国

卫星导航与位置服务产业总体产值已突破 2000 亿元大关，达到

2118 亿元，较 2015 年增长 22.06％。其中包括与卫星导航技术直

21

接相关的芯片、器件、算法、软件、导航数据、终端设备等在内的产

业核心产值达到 808 亿元。而北斗占卫星导航产业中的市场份额为

20%左右，约为 423亿元。到 2020 年我国卫星导航产业规模将达到

4000 亿元，北斗贡献率达到 60%，则北斗市场产值约为 2400 亿，

空间广阔。

图 2-9 中国卫星导航及位置服务产业规模预测（亿元）

基带芯片厂家主要出货形态为导航模块，但也存在以基带芯片、

SoC 以及终端出货的情况。基带芯片产家总销量为 6774.89 万，2018

年第二季度销量为 440.7 万。其中，泰斗微电子科技有限公司以

2246.63 万的总出货量和 211.9 万的季出货量均居销量排行第一，

分别占总销量的 33.19%和季销量的 48.08%。

图 2-10 导航型模块（含基带芯片）出货量统计

导航型射频芯片总销量为 794.21 万，季度销量为 25.3万。其

中，中国电子科技集团公司第二十四研究所以 535.09 万的总出货量

22

居于总销量排行第一，占总销量的 67.37%；武汉梦芯科技有限公司

以 21.5 万的季出货量居于季销量排行第一，占季销量的 84.98%。

图 2-11 导航型射频芯片出货量统计

导航型天线总销量为 557.82 万台，季度销量为 57.31 万台。其

中，嘉兴佳利电子有限公司以 296 万的总出货量位和 42 万台的季

出货量均居于第一，分别占总销量的 53.08%和季销量的 73.45%。

图 2-12 导航型天线出货量统计

高精度 OEM 板总销量为 35.4 万，季度销量为 4.2 万。其中，

上海司南卫星导航技术股份有限公司以 20.06 万片的总出货量和

2.22 万片的季出货量均居销量排行第一，分别占总销量的 56.68%

和季销量的 52.24%。

23

图 2-13 高精度 OEM 板出货量统计

根据统计，目前北斗北斗短报文通信产品产品中，RDSS 总出货

量为 31.08 万，季度出货量约为 1.15 万。其中，北京微电子技术

研究所分别以 23.2 万套的总出货量和 1.05 万套的季出货量均居

于第一，分别占总出货量的 74.64%和季度销量的 90.87%。

图 2-14 北斗短报文通信产品板出货量统计

以基带芯片为核心的导航模块出货量进入稳定增长阶段

经过五年的发展， 国产北斗导航模块（含基带芯片）出货量已

经达到 5000 万片的市场规模，尤其是季度销量已经超过 1000 万

片，可以说，国产北斗导航型基础产品已经进入一个相对稳定的快速

发展阶段（据了解，国际知名导航企业 Ublox 芯片模块的年出货量

为 6000 万片）。

24

图 2-15北斗卫星导航产业分布图

值得一提的是，华大电子作为国产北斗导航型基础产品企业的后

起之秀，以 160 万的季度出货量可圈可点。除了出货量规模表现，

现阶段国产北斗导航基础产品应用领域更为广泛，尤其是泰斗微电子

立足大众消费领域推广北斗产品，说明国产北斗产品在功耗、性能、

可靠性等方面已经赢得市场认可，并且在大众消费领域占有一席之

地。

基于北斗芯片短报文通信产品正在形成规模

北斗芯片短报文通信产品形态分为两种，一种是 RDSS+RNSS 基

带芯片，另一种是 RDSS 单芯片。北斗短报文是北斗系统的特色，主

要解决远海、沙漠、山区等地面通信公网覆盖不好的地区和环境中的

数据通信问题，也为应急情况下的报文通信提供了一种便捷廉价的可

选方案，可以作为国家卫星通信的一种重要补充。经过近几年的发展，

北斗短报文已经从基础芯片到终端和运营，初步形成了产业链，相关

25

产品出货量已经初步形成规模，为后续北斗短报文的规模化应用奠定

基础。随着北斗全球系统的快速部署，北斗短报文海外应用政策也将

更加明确，北斗短报文芯片通信产品也逐渐形成规模。

图 2-16 北斗短报文通信产品

北斗定位芯片正在加速进入智能手机领域

智能手机是北斗应用芯片推广的主阵地。经过近几年相关技术、

工艺的积累和发展，北斗芯片功耗降低、体积减少，具备高抗干扰能

力和优异的性价比，已经获得国内主要手机芯片厂商和终端厂商的认

可，正在加速进入智能手机。通过相关智能手机的资料和数据，我们

认为，支持北斗功能的智能手机已经超过 1 亿台， 支持北斗定位功

能的 4G 手机款型占比为 98.5%，华为、小米等国内知名手机厂商主

要手机品牌都率先支持北斗定位功能。 未来， 随着北斗系统向全球

拓展和性能稳定， 以及 A-BDS 辅助定位平台的建设完善，北斗定位

芯片的需求将不断扩大。加之国家相关政策引导，北斗定位芯片的应

用有望成为我国智能手机领域的标配方案。

26

图 2-17 支持北斗定位技术的智能手机款型数

北斗高精度应用正在进入高速发展阶段

随着北斗地基增强系统的建设，定位芯片俘获灵敏度、跟踪灵敏

度等各项性能指标达到国际领先水平，芯片定位精度达到 2.5 米以

内。互联网企业进军位置服务领域，大量资金投入， 高精度位置服

务实现了从专业领域到多个行业，乃至大众消费领域（如共享单车）

的华丽转身，正在使得北斗高精度应用步入快速发展阶段。

随着北斗芯片技术的不断发展、北斗芯片产品销量的扩大、大众

应用市场的需求更新，以低功耗、小体积的芯片替代 FPGA 部件将成

为核心趋势。全“芯”升级的新一代高精度 GNSS 基带芯片，将可保

证板卡、接收机等产品性能的一致性、缩短使用过程的启动时间、降

低成本，使得北斗高精度应用进入高速发展阶段。

4、北斗芯片发展任重道远

2007年，我国北斗卫星导航系统正式建成，5年后投入民用市场，

并在全球 GNSS 行业崭露头角。目前，北斗导航系统已经在我国及东

27

南亚诸国的交通、渔业、测量勘探等行业得到广泛应用，并涌现出北

斗星通、华力创通、国腾电子、合众思壮、中海达、中国卫星、江苏

三友等一大批上市企业。然而，从整体而言，北斗产业链仍处在“婴

幼儿期”，尤其是在北斗芯片、模块等基础领域，更是如此。

在当前新的产业形势下，虽然我国的北斗导航系统已经在诸多民

用领域得到广泛的应用，并取得了良好的社会和经济效益。但美国早

在 1994年就完成 24颗 GPS卫星的布设，并于当年开始提供全球民用

化服务，创造并垄断了市值巨大的卫星导航产业。时至今日，尽管北

斗在 2013年取得 10倍于三年前的终端销量，但目前我国绝大部分的

导航终端仍采用美国 GPS芯片，其占有率高达 95%。

此前，我国在北斗导航系统研究中偏重于卫星的研制和发射，占

北斗研究总经费的 90%，只有不到 10%用于导航芯片的开发研究，芯

片技术的缺失严重制约了北斗的产业化进程。对于我国北斗芯片产业

的现状，我国著名北斗专家曹冲曾表示：“我国卫星导航芯片的入行

门槛比较低，全国 4000 多家芯片生产企业绝大部分是中小企业，人

才不足，不具备研制兼容型、互操作式导航芯片的自主研发能力。这

将使我国的导航芯片产业继续在低附加值状态徘徊，实现北斗加 GPS

导航逐渐替代美国 GPS导航的规划步履艰难。”

(四) 技术预见

未来 GNSS 发展由单一的 GPS 向多系统 GNSS 发展，GNSS 走向与

通信、GIS和惯性器件融合，从以应用产品为主转向服务产品为主的

28

发展阶段，现在 GNSS 芯片已广泛集成到众多智能手机、可穿戴设备

中，GNSS 芯片的尺寸、重量、功耗、成本、性能等不断演化。近年

来，多 GNSS 星座的建设以及新服务的涌现，促进了 GNSS 用户技术

蓬勃发展。

1、国际技术预见

一方面，处理器的发展使接收机具备处理更多 GNSS 信道的能

力；低成本 MEMS 传感器的发展使多种不同传感器的紧耦合成为可

能，从而使接收机在 GNSS 不可用环境中仍能提供服务；另一方面，

用户对 GNSS 接收机定位精度、首次定位时间以及对恶劣环境的适应

能力等性能需求不断增长。这些因素促使 GNSS 接收机设计的各个部

分都在发展演变，GNSS 接收机各部分的发展重点或发展最快的领域

如表 1 所示。GNSS 用户技术主要表现出以下发展趋势。

表 2-4 接收机各模块发展重点

接收机模块 发展重点

天线（前置放

大器）

多径效应抑制技术

射频下变频器 输入频率

数模转换器 量化位数

基带处理 抗多径能力；信号 / 调制处理能力

PVT（位置、速

度、时间）解算

解决方案类型（GNSS、多 GNSS、实时动态、精密单点

定位）；

信号或多星座

将根据不同用户需求来自适应平衡接收机芯片的带宽和功耗

一个给定 GNSS 接收机芯片的信号处理能力通常取决于其应用的

29

市场。高处理带宽能提供更高精度的观测量和更好的多径效应抑制能

力，同时也需要更大的功耗。芯片的最终设计是权衡其复杂度、功耗

及性能的结果。例如，Galileo E1 这样的复合信号同时使用了 BOC

（1,1）和 BOC（6,1）调制，接收机设计者可以考虑处理整个信号还

是仅仅处理 BOC（1,1）部分。随着应用的不断拓展，发现接收机芯

片存在一些问题：芯片功耗过高，大量的数据传输将产生极大的功耗，

限制了终端设备的使用；带宽不足，传感器的大范围普及和低功耗广

域网等连接技术的发展，未来网络带宽的拓展速度远低于智能终端设

备的增长速度，无法满足带宽需求。

高精度接收机需要根据不同用户需求来平衡接收机芯片的带宽

和功耗，例如那些没有功耗限制的高精度接收机倾向于处理完整的信

号带宽；而大众市场的接收机，例如智能手机 GNSS 接收机，则倾向

于处理能满足需要的最小带宽。

基带芯片采用矢量跟踪技术优势明显、有望在五年内实现商业

化

目前几乎所有的 GNSS 接收机都采用标量跟踪的方式，而相应的

矢量跟踪是更先进的设计理念。标量跟踪是对每个信号相互独立地进

行载波和码跟踪，而矢量跟踪是在一个导航滤波器中跟踪所有卫星信

号，它是抑制多径干扰影响和非视距信号辅助检测的有效方式，二者

是在城市环境中使用 GNSS的主要干扰源。

基带芯片利用矢量跟踪将信号捕获和跟踪功能与位置解算功能

组合到一个算法上，在显著提升芯片处理能力和提升位置计算速度

30

10 倍以上的同时，还有望进一步提升敏感性，提供短期信号中断的

桥接能力和更好的抗干扰能力。尽管采用矢量跟踪的基带芯片有这些

潜在优势，但是还没能用于商业产品。随着微处理器能力的提升，GNSS

接收机基带芯片有望在 5 年内采用这项战略技术。

云 GNSS 处理和“快照”定位 将使接收机芯片能耗降低几个

数量级

云 GNSS 处理是软件 GNSS 接收机概念的最终发展结果。云

GNSS 接收机不再使用“主设备”的处理能力，而是利用基于云的处

理设备。这样就能将处理能力和功耗需求大的任务移植到云端，而在

云端这些资源几乎是不受限制的。

“快照”或单点定位仅使用毫秒级的原始 GNSS 信号就能实现定

位，主要用于不能实现或不需要连续空间信号跟踪的场景（例如室

内）。它短暂记录经前端信号波形加工的原始数据（前置放大、下变

频、滤波和数模转换），然后传送到主平台处理器（例如软件 GNSS 接

收机），存储下来用于后处理或者发送到云端进行位置解算。

采用云 GNSS 处理和“快照”技术，接收机芯片仅进行信号捕获

而不进行信号跟踪，因此不允许提取导航电文。但通过“粗时间定位”

技术和特殊算法可以从“快照”和辅助数据中解算位置信息。通过将

云 GNSS 处理和“快照”定位相结合，一些研究人员和供应商宣称将

芯片能耗降低了几个数量级。

芯片天线设计向多频段、多功能、微型化、集成化方向发展

天线负责捕获在空间中传播的 L 频段信号，是 GNSS 空间段与

31

用户段之间的桥梁。天线设计师必须在天线的效率、带宽和小型化水

平之间寻求平衡。GNSS 接收机天线设计是专业应用和大众市场的重

点研究领域，具有以下发展趋势：

1）多频段。新型 GNSS 信号的出现，多频技术向大众市场应用

的迁移，以及用户对多径效应和干扰抑制能力需求的增长，共同促进

了多频天线的发展。但大众市场应用在大多数情况下需要的仍是单频

接收机，因此单频天线仍占到 60% 的份额。尽管专业应用越来越对

多频天线感兴趣，具备多频能力的天线比例近年来并没有大幅提升。

2）多功能。近年来，GNSS 下游产业已经从根据实际情况专门设

计天线转向提供易集成到 OEM 产品的天线模块。这些天线能够适用

于各种类型的接收机，从而在市场上获得各种各样的应用，以使经济

规模的优势最大化。除了为特定应用专门设计的天线，制造商现在提

供大量的嵌入式紧凑型天线设计，可提供不同的形状、外壳、安装、

连接和供电电压。

3）微型化。当天线的尺寸和相关频段的波长相等时，其效率最

高（例如 E1 频段波长 19cm）。尽管如航空等一些应用允许技术规范

重点关注性能，但是大多数的 GNSS 天线设计要根据 GNSS 集成商的

需要，因而天线设计更适于汽车定位及其他位置服务的应用。在这些

应用中，尺寸和成本是主要驱动因素。因此，几乎所有类型的天线都

有微型化的发展趋势。而且，对于以微型化为主要驱动因素的应用，

单级天线比贴片天线和螺旋天线的应用更广泛。这些应用需要非常

小、近全向的天线，即使采用线性极化天线也可获得较好性能。此外，

32

折叠天线或使用介电常数高的天线介质等微型化技术也可以有效减

小天线尺寸。

4）稳健性。包括天线，整个 GNSS 接收通道都要求有较好的抗

多径效应和干扰能力。新型星座和频段提供了更高的信号冗余度和多

样性，多频和多星座的概念为提升稳健性提供了可能。在这个场景下，

自适应天线成为抵抗干扰的有力工具。自适应天线能利用空间分集并

能够区别对待来自不同方向的信号。自适应技术不但要有天线的支持

（天线限于辐射单元和低噪声放大器），还需要应用附加的处理射频

信号的电子元件。目前，商业自适应天线的应用前景仍局限于军用调

零天线。在不久的将来，市场上也会出现与民用市场需求兼容的创新

型自适应天线设计。

5）基础性能。近年来天线的增益和噪声系数一直保持不变，而

且没有任何需要提升的迹象。然而，接收机的敏感性已经大幅提升，

降低了许多“低性能”应用对更好天线的要求，从而扩大了微型单级

天线的应用范围。

6）与其他天线集成。GNSS 设备正在越来越多地集成到能同时支

持其他无线电通信的设备上，包括蓝牙、WiFi 和射频识别（RFID）

等短距离数据传输以及蜂窝和卫星通信网络。

支持多星座的接收机芯片成为所有 GNSS 应用的标准

GNSS 接收机芯片对多星座的支持具有以下优势：①增强可用性，

尤其在有遮蔽的区域效果更加显著；②提高精度和完好性，多星座提

供了更多的可见卫星，可以通过改善几何精度因子（GDOP）提高精度；

33

通过更有效的接收机自主完好性监测（RAIM）程序提高完好性；③增

强稳健性，使用多个独立的 GNSS 系统更难被欺骗。

过去十年间，支持多星座的 GNSS 接收机芯片不断涌现，甚至在

以成本为主要因素的市场上也表现出这种趋势。然而，由于潜在技术

的发展，一代接收机芯片的生命周期通常只有几年。因此，制造商只

有在新的星座或信号接近完全运行能力时才会选择它们。

图 2-18 GNSS 接收机多星座特性调查结果

根据 GSA 的调查，市场上 65% 的 GNSS 接收机芯片支持多星

座，超过 20% 的接收机芯片支持 4 个星座。其中最常见的组合方式

为 GPS+GLONASS，其次是 GPS+Galileo。为了达到更高的精度或完好

性，超过 60% 的接收机芯片还支持星基增强系统。此外，QZSS 和

IRNSS 等区域系统的应用也越来越普遍，见图 2-18。

多频接收机芯片有望从高精度定位领域扩展到大众市场

一方面，GNSS 接收机对多星座的支持可以：①提升精度。双频

接收机可以估计并消除电离层延迟误差；②实现实时动态差分（RTK）

和精密单点定位（PPP）技术。尽管理论上单频接收机能够实现 RTK 和

34

实时 PPP，但实践中 RTK 和 PPP 需要双频接收机。而且，三频接收

机很可能进一步改进模糊度解算算法；③提升稳健性。频率多样性是

保护接收机不受干扰的基础且最有效的手段。另一方面，新信号的设

计也能够：①提升精度。新的调制方式及更高的码速率提供了更精确

的伪距测量；②提升多径效应抑制能力。新的调制方式和更高的码速

率能够缓解多径问题的影响；③提高灵敏度。导频信号通过更长的积

分时间提高接收机灵敏度。这促进了双频和三频商用接收机的发展。

但是，目前只有高精度接收机采用了多频，虽然已经开展了一些应用

于大众市场和自动汽车的双频接收机的研究活动，但到目前为止还没

有大规模部署。

据 GSA 调查：① 70% 的 GNSS 接收机仍只支持单频，20% 支持

双频，10% 支持三频；②多频接收机中，最普遍的组合是 L1/E1+L2，

其次是 L1/E1+L2+L5/E5； ③所有 GNSS 接收机都使用 L1/E1频段，

近 30% 的接收机具备 L2 能力，10% 的接收机具备 L5/E5 能力，1%

的接收机具备 E6 能力（详见图 2-19）。

图 2-19 GNSS 接收机多频特性调查结果

克服 GNSS 脆弱性的芯片仍将是 GNSS 用户技术热点之一（脆

35

弱性与芯片的关系）

GNSS 由于本身信号弱的固有特点，对自然（电离层散烁）及人

为（各种类型的无线电干扰）的威胁十分脆弱。这些干扰现象会影响

GNSS 运行，甚至部分或完全中断服务。其中 GNSS 面临的由人为因

素造成的干扰威胁大致有以下几类（见图 2-20）：

图 2-20 GNSS 接收机面临的主要人为干扰威胁

故意射频干扰：尽管 GNSS 干扰机的销售、购买和使用在很多国

家都是违法的，但是公众还是可以通过互联网买到。GNSS 干扰机的

一个典型应用是干扰用于资产跟踪的设备。然而，这样的干扰机常常

会在更大的区域干扰 GNSS，使所谓的“隐私保护设备”变成了公害。

无意射频干扰：一类是多径效应，是指经反射延迟之后的信号与

直接传播的 GNSS 信号混合进入接收机造成的干扰，主要影响相位测

量和码测量。通过了解这种干扰机制，人们可以设计特定的消减策略。

此外还有其他无意射频干扰：这些是由于异常的杂散相邻频带及谐波

辐射造成的不可预测的干扰。已有的记录表明，微波设备、航空雷达

36

以及电视信号发射机都是主要的干扰源。

伪造导航信号：包括伪造导航电文与伪造扩频码和载波两种方

式。伪造导航电文又包括复制导航电文，即对空间信号的导航电文进

行复制并转发；伪造导航电文，即攻击者理论上可以伪造导航电文使

接收机解算出攻击者设定的位置。伪造扩频码和载波是指 GNSS 系统

利用直接序列扩频技术调制导航数据。对于开放服务，这些序列会在

系统的接口控制文件中发布，并可用于生成仿真信号。因此伪造的信

号可以在各种能级上和真实卫星的扩频序列同步或不同步广播。

重发攻击：包括实时信号复制和记录并重发两种方式。实时信号

复制可以利用合适的硬件将空间信号延迟并重新广播，例如将延迟引

入传播时间，使接收机解算的位置产生 100 ～ 200m 的误差。尽管

这种方法不足以伪造出特定需要的 PVT 或轨迹，但可以用它对安全

攸关的应用进行欺骗；记录并重发攻击主要是利用已有的商业产品实

施。这些设备的典型结构包括一个下变频器、模数转换器、胶合逻辑、

数字存储器、数模转换器和上变频器。

克服 GNSS 脆弱性的芯片的研制有以下几个思路：

（1）芯片采用抗欺骗干扰技术

GNSS 可以采取多重防护来对抗欺骗干扰。最常见的方式是在芯

片中对测距码（“导航安全措施”）和导航电文（“通信安全措施”）进

行加密，从而控制用户对信号的访问。这也是 GPS 精密定位服务

（PPS）和 Galileo 公共授权服务（PRS）采用的方法，仅供授权用

户使用。

37

另一种方法是 GNSS 芯片中加入信号认证。尽管所有的接收机都

能处理这些认证的信号，但这些信号中包含“标记”，具备特定解码

能力的接收机能够识别这种“标记”从而识别真实信号。这种认证能

力理论上可以是导航电文认证、测距码认证或是双重认证。未来

Galileo 计划向所有用户提供免费的开放服务信号导航电文认证，并

提供“通信安全措施”防护；除导航电文认证外，商业服务还将对授

权用户提供加密的测距码，增强“导航安全措施”防护能力。

（2）抗射频干扰技术

对于多径效应，可以通过以下措施在不同程度上进行抑制：①好

的接收天线芯片设计，比如抛弃左旋圆极化信号（GNSS 信号是右旋

圆极化）的天线设计，以及扼流圈天线这样的专用天线设计；②目前

在高性能接收机芯片上普遍应用先进相关器技术，例如窄相关器、多

径效应抑制延迟锁定环、双 δ技术和门限功能；③采用估算多径或

无需估算直接抑制多径的信号处理技术，其中伪码测量的载波相位平

滑是最先投入使用的技术之一；④改进芯片处理算法，使用后处理方

法分析接收机－卫星测量值从而矫正解算的位置。

对于其他射频干扰，可以在芯片中采用通过以下算法进行识别和

抑制：①波束成型和零陷等阵列天线技术与阵列处理算法；②利用从

空间信号分离中获得的可用信息判断有用信号的到达方向（DoA）；③

判断干扰源、干扰方向；④前端技术，例如基于压缩传感的识别技术；

⑤前相关和后相关接收机技术，例如脉冲抑制器、连续波调零和陷波

滤波等。

38

2、国内技术预见

从 1983 年著名科学家陈芳允院士提出双星定位设想。到如今我

国的卫星导航事业从无到有，从小到大，由弱到强。北斗技术的发展

主要表现出以下的趋势。

核心突破

发展“两芯两端一件”，即：高精度高性能系统级芯片、通用导

航芯片、导航终端和授时终端、3S 软件，带动产业链整体发展。目

前我国各级政府都在积极加快芯片及相关天线、板卡的研发和产业化

步伐，依托重点骨干企业，加速北斗科技成果转化与产业化，提高优

势产品的产能与市场份额。重点推进终端制造企业加大技术改造力

度，增强产品生产能力，建成全国重要的终端生产和系统集成产业基

地。进一步支持 3S 软件企业扩大规模，丰富产品，积极向服务一体

化方向转型，并加强向海外市场的拓展。

中国精度

北斗系统定位精度由水平 25m、高程 30m，提高至目前水平 10m、

高程 10m，测速精度由每秒 0.4米，提高至 0.2m，受时精度优于 20ns，

目前在中国及周边地区，北斗系统服务性能与 GPS相当。GPS定位精

度可以达到 mm级，这是能实现的，但是不能脱离限制条件而谈。

随着北斗地基增强系统建设的全面启动和高精度定位技术的飞

速发展，将推动高精度定位的广泛应用。利用采用差分技术的芯片技

术是基于同步同轨性原理，使用已知点的基准站，计算出改正信息，

再发送给流动站，进而改正流动站的瞬时位置。这是针对动态测量的

39

技术，把定位精度显著提高。

图 2-21 是司南第一代北斗高精度基带芯片 SNB1008 芯片，并行

168通道，支持 GPS L1C/A、L1P、L2P、L5，BDS B1I、B2I、B3I，GLONASS

G1C、G2C、G1P、G2P 三系统八频点信号，可实现单机亚米级定位的

SBAS功能。芯片采用0.13μm制造工艺、BGA封装，Die面积小于 3.3mm

× 3.3mm，功耗低至 50mW；采用高精度伪距与载波跟踪环路技术以

及 ARM高速接口设计，使精度、稳定性等各项性能显著提升。

图 2-21 北斗高精度芯片 SNB1008

跨界融合

采用多传感器信息融合技术的芯片是将多源信息加以处理、综合

和分析, 从而产生比单一信息源更准确、更完整的估计和判决。而重

构芯片同时兼具通用处理器的灵活性和专用处理器的高效性,还具有

高可靠性、低能耗、低成本等优点,在半导体产品中逐渐兴起。将多

传感器和可重构技术融合进组合导航芯片系统中, 可以将各导航传

感器的数据与系统内部已有信息进行相关处理、提取特征信息, 从而

得到更全面、可靠的导航信息。

“十三五”北斗导航将实现“天基地基、室内室外、通信导航、

40

国计民生”四个一体融合。北斗与其它 GNSS 系统实现天基兼容互操

作融合，利用多芯片融合技术实现无线电层面的通信导航融合、室内

室外实现多传感器融合。北斗导航坚持感知网、传输网和服务网的“三

网合一”产业发展路线图，实现泛在的智能时空信息服务和无所不在

的位置服务，服务国民经济生产、民众社会生活和国家发展生态。

时空服务

以泛在、智能、绿色为大前提，面向市场，促进融合，做出特色，

创新位置服务，打造北斗导航的升级版，充分发挥时空信息的核心凝

聚力、基础支撑力和关联带动力，将“大、智、云、物、移”(大数

据、智能城市、云计算、物联网、移动互联网)等技术与导航芯片应

用打通贯穿起来，实现有机融合和系统集成，体系化地推进中国时空

服务为主体的智能信息产业，树立、推进并造就中国北斗时空服务国

家品牌。

推进时空服务需要安全可靠、高精度时钟的时间同步。北斗授时

是通信网络安全组网的根本保证，为了保证系统的安全性和可靠性，

北斗芯片主时钟必须要有更加稳定的晶振和原子钟，导航芯片接收天

线需要有更高的稳定性设计和抗干扰性设计，北斗接收器需要更高的

接收频率和接收灵敏度，以此来满足时间保持单元守时精度。

模式创新

借助互联网思维发展北斗产业，如营造北斗产业生态、提供行业

应用及服务业平台等，向服务环节延伸北斗产业链条，通过向用户提

供服务来盈利。针对不同应用领域采取灵活的商业模式，如：交通运

41

输领域的“用户免费安装终端、收取年费服务”模式；海洋渔业领域

的“低价终端产品+免费应用平台+长期运营服务”模式；民生关爱领

域的“产品+智能+互联网+服务”模式。

将北斗芯片实现的通导技术更多的与终端结合起来，通过基带芯

片与通信终端的数据交互，结合应用处理器，天地一体，更好的发展

北斗产业。

全球拓展

2012 年以来，北斗系统根据“先区域、后全球”的战略部署，

分阶段进行组织实施，形成了走出中国、冲破区域、面向世界的极富

特色的北斗系统应用发展路线。《国家卫星导航产业中长期发展规划》

提出“推动海外市场开拓”的主要任务，为我国北斗系统的全面发展

提供了思路和指向。亚太地区的国土面积占全球 21.3%，人口占全球

的 57.2%，对导航芯片产品和服务的市场需求十分巨大。

42

(五) 工程难题

近几年来，基于位置服务 （LBS） 的诸多应用推进着全球卫星

导航定位系统（GNSS）的迅速发展，世界上几乎所有卫星导航系统都

进入了发展快车道。芯片的优劣很大程度上决定了卫星导航产品的性

能，芯片技术直接关系到产品的技术指标和未来发展走向。

1、国际工程难题

芯片工艺的变化

卫星导航接收机小型化和低功耗要求的不断提高以及集成电路

工艺的不断改进，导航芯片组的主流设计工艺已从传统的 GaAs、

BiCMOS 工艺技术向 CMOS 技术转变。芯片工艺方面，国际主流厂商

北斗芯片工艺向 28nm 直至 20nm 发展，与此同时，我国的北斗芯片

也已经得到规模化的应用，工艺也从原来的 350纳米提升至 28纳米，

实现了从基础向高端的转变。但导航芯片体积、重量、功耗偏高，性

能方面也还有很大进步空间。

高灵敏度及低功耗趋势

随着卫星导航终端对芯片性能指标和应用环境要求的不断提高，

卫星导航定位芯片逐渐向高灵敏度和低功耗芯片设计的技术发展。

u-blox6 采用比第 5 代芯片间距更先进更细的 CMOS 纳米间距。在

每个大片圆晶上可生产的圆晶片数量将增加，最重要的是整个芯片在

硬件上将功耗得到进一步的降低，下降的功耗将会导致圆晶片自身的

工作温度进一步趋向于节能及低温，低温低功耗小电流更有利于 RF

部分的工作，可以理论上实现灵敏度的上升及捕获能力的增强。

单芯片化趋势

43

卫星导航芯片主要采用射频+基带芯片组的形式实现，随着设计

能力的不断提高和单芯片需求的日益迫切，导航芯片逐渐向单芯片方

向发展，使导航终端的体积更小、功耗更低。SiRF 公司早期的芯片

由一块射频集成电路、一块数字信号处理电路和标准嵌入式 GPS 软

件构成。射频集成电路用于检测和处理 GPS 射频信号，数字信号处

理电路用于处理中频信号，标准嵌入式 GPS软件用于搜索和跟踪 GPS

卫星信号，并根据这些信号求解用户坐标和速度。目前厂商针对 GPS

单芯片化的作法，可分为射频或基带单一芯片，并整合了更多功能。

在射频芯片部分，已有多家厂商将放大器、滤波器、降频器、频率合

成器及振荡器等整合

在一块芯片上；在基带部分，则整合了 CPU、内存（DRAM、SRAM、

Flash）、电源管理及时钟等。

多模化芯片趋势

随着卫星导航终端对定位的可靠性、可用性和连续性要求的不断

提升，多模导航终端成为未来导航终端的主流，芯片也由单卫星导航

系统向多模多频兼容设计的方向发展。

图 2-22 多模化芯片

44

由于 GPS导航及定位的应用逐渐走向高精度与高稳定度的应用，

并且为了避免对单一系统的依赖，应加强对双模或多模的芯片及模块

的开发。着手研发北斗/GNSS双模或多模产品，来推出包括基带、射

频、软件和 SDK等高性能北斗/ GPS混合芯片与单芯片解决方案。

2、国内工程难题

进一步提升芯片处理性能

国际主流北斗芯片兼容目前（包括北斗在内的）所有的导航系统，

增强性能和可靠性，加入了室内定位应用的 A-GNSS 技术，通过采用

MEMS（微电子机械系统）可实现卫星信号断续时导航系统的无缝续航

能力，特别是在隧道、地下车库、多层立交桥及城市峡谷等情况下的

定位。

图 2-22 室内定位超宽带芯片

人类对导航信息服务需求已不局限于室外开阔场地等卫星导航

信号可及的应用场景，在遮蔽场景或干扰环境下的导航定位需求也日

益迫切，典型体现为室内外无缝导航的需求；航天领域深空探测以及

海洋战略资源勘探，深空、深海自主导航技术得到了各空间技术大国

与海洋强国的重视；其次，导航信息的完好性、可用性、连续性指标

日益受到关注，不限于高精度指标的高性能导航需求日益迫切，典型

45

体现为以民航应用为代表的特种行业应用需求。这对导航芯片的发展

提出了新的要求。

拓展芯片在智能终端的应用

国际主流厂商发布了应用于手机、PND、可穿戴产品的芯片，尽

管国内已经发布了可应用于手机的北斗芯片，但国产芯片目前应用还

是集中在交通监控、电力 / 电信授时、气象探测等行业领域。国产

北斗定位芯片进入智能手机，意味着国产北斗定位芯片在成熟度、功

耗、成本方面得到了大幅提升。

在智能终端的应用中，芯片的低功耗设计是一个系统问题，必须

在设计的各个层次上发展适当的技术，综合应用不同的设计策略，才

能达到在降低功耗的同时还能维持较高的系统性能的目的。同时也将

以此为突破口，加速北斗进入大众消费领域的步伐。

改进芯片生产工艺

随着制造工艺的提高，国外芯片行业 40nm、28nm 工艺已经很成

熟，我国主要导航芯片的工艺还集中在 40nm 以上。由于半导体芯片

的生产制造过程极其复杂，不仅要购买天价设备，投入巨大研发人员，

还要未雨绸缪，工艺更新换代快，需要丰富的芯片制造经验。设计和

工艺都是芯片制造的两大难点，两者一定程度上相辅相成，都需要持

续的投入和技术储备。

国际厂商分别采取在中国代工或者建立研发中心的形式实现本

土化以更加快速全面地占领市场，国内厂商应充分利用好国家和行业

政策，在北斗产业中占领一席之地。国内厂商应该利用本土化综合优

势抱团发展，而不应由进行同质化恶性价格竞争，影响行业的良性发

展。

46

(六) 政策建议

现阶段国产北斗导航芯片能基本满足国内行业应用的急需，但由

于起步较晚，缺乏技术积累和 市场经验，在技术、工艺、成熟度、

性价比等关键 指标方面与国外先进水平都有着明显差距；另外，由

于国内相关政策和法规有滞后性，北斗基础产品 相关标准体系尚未

完善，这都会阻碍北斗导航芯片的快速发展，进而影响北斗导航芯片

的市场规模。为此，必须认真研究北斗导航芯片的发展策略，使得我

国自主北斗导航芯片能够占领芯片技术的制高点，并在世界范围内能

够得到广泛应用。

1、技术政策建议

统一管理部门

在军用方面，对北斗系统的管理我国设有两家机构，一家是中国

卫星导航系统管理办公室，其主要职能是承担我国北斗系统的空间

段、地面段的所有设施设备的投资建设，推动北斗卫星导航定位系统

在我国的产业化发展，同时开展北斗系统国际合作战略政策研究和国

际市场开拓研究。另一家是中国卫星导航定位应用管理中心，加强北

斗导航系统运行维护管理，确保北斗系统连续稳定运行和可靠服务；

加强北斗运营服务和应用终端生产企业的监督管理，确保服务质量和

安全；加强北斗应用基础标准和基础设施建设，夯实应用发展基础。

然而在民用方面，国家至今还没有指定一个归口统一管理的部门，形

成了发改委、科技部、工信部、交通部、农业部、环保部等多头管理、

重复管理、各自为战、多头投资的局面，极不利于我国北斗系统在民

用领域的产业化、规范化、标准化、有序化的发展。

47

加入核心技术研发

在卫星导航产品产业化进程中，核心技术是卫星定位关键芯片，

如射频芯片、基带芯片、数据处理芯片等。目前中国卫星导航芯片市

场的 95%已被美国占领，国内大部分企业还不具备研发此类多模导航

芯片的能力，长期以来都没有形成核心技术，阻碍了北斗系统应用的

推广，制约了中国卫星导航应用产业的规模化、大众化发展。另外，

涉及国家核心经济和安全的许多重要领域，包括民航、交通、电信、

金融、电力、物流等基本依赖 GPS，对国家安全和战略利益构成严重

威胁。

提高知识产权市场占有率

目前，GPS已如水和电一样融入到了人们日常生产和生活的方方

面面，并形成成熟的市场应用模式。中国自主知识产权的北斗卫星导

航试验系统虽已在测绘、渔业、交通运输等诸多领域得到应用，并产

生良好的经济效益和社会效益，但存在价格高、精度低的缺陷。在民

用领域应用较少，只占据不到 1%的市场份额。另外，北斗卫星导航

系统尚未建设完善，其应用的可靠性、先进性、连续性还有待验证，

无法及时有效地发挥系统带来的社会和经济效益，相比于 GPS 存在

后发劣势，市场竞争力不足，暂不具备与 GPS 竞争的实力。

规范知识产权和产业标准

本土企业和政府相 关部门应该重视高性能北斗导航芯片相关标

准和知识产权的布局工作。在高性能北斗导航芯片方面，大 力鼓励

企业申请专利、编写标准，从而追赶并引领 高性能导航芯片的发展

潮流。

由于缺少国家层面的宏观协调机构，中国卫星应用产业在标准法

48

规、发展规划、政策、测试评估、市场准入等产业政策与行业标准规

范方面，存在建设缺失和滞后现象，没有形成统一的技术标准，导致

北斗系统关键器件的生产和采购长期无法集中，维护不便、互相不兼

容，阻碍了系统应用的正常推广，进而制约了中国卫星导航应用产业

链和规模化市场的形成。

提升运营服务

在全球卫星导航产业中，运营服务占其导航产业的比例最大，平

均达到 60%左右，并且是增长最快的部分。而我国北斗产业中运营服

务占比仅为 17%，远远达不到平均水平。目前中国卫星导航应用主要

集中在车船导航监控、电力及通信网络授时等领域，综合运营服务平

台尚未建立，不能有效满足大众及行业用户多样化的应用需求，缺乏

面向大众市场清晰的盈利模式。需面向位置服务、公众出行、智能交

通、物流监控调度、应急救援等细分领域，深度挖掘用户需求，开发

新的应用服务与盈利模式。

2、产业政策建议

多行业深入

借鉴美国的 GPS导航产业发展路径，北斗产业发展路径应沿着国

防、行业、大众三个层次逐步展开。国防领域是北斗一代应用时期的

最主要应用领域，二代也将率先应用。再次，不断深化其在行业领域

的应用。随着北斗二代亚太服务正式提供，卫星导航应用将渗透到行

业应用的方方面面，未来北斗芯片、终端规模化后，价格下降最终促

使北斗导航终端进入大众消费领域。

49

图 2-24 千寻位置基于北斗卫星系统实现功能

构筑产业联盟

目前，北斗产业链的不完善成为制约北斗产业化的关键，整合国

内产业链上的企业骨干群体，从而形成北斗产业联盟。建立北斗产业

联盟将是我国实现北斗产业化的重要平台，能够快速提升北斗产业的

技术水平，提高北斗产品的国产化率，扩大北斗单模产品的市场份额。

以北斗产业联盟为链条鼓励企业和地方政府间的资源共享，建立完善

产业配套，促进上下游厂商的国产化制造。支持建立联盟技术创新服

务平台与服务体系，制订服务规范和服务标准、发挥资源效率，重点

突破产业链上的高端环节。鼓励和协调骨干企业与配套企业间的整

合，提高参与国家重大工程建设的整体实力，组织骨干企业与国内外

卫星导航领域知名公司开展技术与产业对接，提升企业技术创新水

平。

提高研发能力

提高自主研发核心能力，促进国产芯片规模应用。一是提高自主

研发核心能力。将电子发展基金向国内研发生产制造北斗芯片的企业

倾斜，集中力量攻克制约芯片发展的核心技术和关键环节。研发、生

50

产具有自主知识产权的芯片，再辐射和带动其他中小企业，从而掌握

卫星导航芯片等产业链高端自主知识产权并实现产品化，消除产业链

中影响市场竞争力的短板，奠定北斗产业化和市场竞争力的基础。二

是设立北斗芯片重大专项推广与国产化项目，促进国产芯片规模应

用。GPS导航系统早在 1994年就建成并于当年提供了全球民用服务，

已占据了我国较高的市场份额，仍需大力推行北斗导航芯片产业化、

国产化。三是完善标准和知识产权体系，实现军用标准向民用标准转

化，建立国家级的北斗标准体系。建立北斗芯片专利数据库及知识产

权公共服务平台，面前企业提供专利检索、专利分析、司法鉴定等专

业服务。

加大推广力度

加大示范工程推进力度，奠定推广应用与产业化基础。一是继续

加大在 42 项重大专项“示范”项目的推进工作。目前，已开展的部

分示范工程实施工作与总体进度要求相比仍然存在较大差距，特别是

终端安装进度明显滞后。交通运输部“重点运输过程监控管理服务示

范系统工程”明确指出示范工程实施的时间表，其他示范项目也应象

该示范工程一样加大推进力度，明确推进时间表。二是建立支持平台，

包括公共技术支持平台和公共运营服务平台，为示范工程提供技术支

持和服务支持；三是要通过政府重大专项积极示范，持续开展北斗在

行业、区域中的应用示范，与行业主管部门和地方政府共同促进北斗

行业和区域应用，加大行业和区域应用推广的力度，尽快形成规模效

应，奠定全面推广应用与产业化基础。

鼓励终端消费

出台鼓励终端消费相关政策，拉动北斗消费信息。一是借鉴俄罗

51

斯制定有利于北斗终端消费的产业政策。俄罗斯 2009 年通过的《导

航活动法》要求公路、铁路、海洋和航空等所有国有及商业公共交通

工具在 2010 年年底前安装 GLONASS全球卫星导航系统导航仪，同时

所有新出厂的交通工具也要安装这种导航仪。俄罗斯政府同时还规定

在俄罗斯境内销售的导航仪必须加装俄罗斯格洛纳斯导航系统，同时

将进口 GPS导航仪的关税提高至 25%。并计划 2013 年在俄罗斯出售

的所有汽车上都安装 GLONASS 系统，所需费用由政府补偿。2015 年

起对不支持 GLONASS 技术的进口智能手机征收约 25%的关税。二是

借鉴节能家电和以旧换新补贴政策，制定鼓励北斗相关的信息消费激

励政策。在销售北斗终端时，直接将补贴资金兑付给消费者，GPS终

端用户换置北斗终端时给予资金补贴，从而拉动与北斗相关的信息消

费。

图 2-24 构建北斗平台服务内容

52

三、电动汽车智能充电网络关键技术发展

(一) 研究概述

2018 年，电动汽车发展突飞猛进，未来 5 年在售车型数量预计

还将翻一番，随着全球能源、环境和交通安全挑战日益加大，大众、

戴姆勒、日产、沃尔沃等主流汽车制造商计划未来 10 年内逐步停售

燃油汽车并全面转向电动汽车。与此同时，续航里程短、充电时间长

成为电动汽车发展的掣肘，目前我国主流车型如比亚迪 E6、长安 E30

等电动汽车快充 1 小时平均行驶 106.9km，慢充 1 小时平均行驶

23.3km，充电时间与续航时间严重倒挂，需要借助公共充电基础设施

频繁充电、接力充电，而已有的电动汽车充电公共基础设施越来越难

以满足日益增长的旺盛的充电需求。

电动汽车智能充电网络是一张由公共充电站和交通路网组成的、

运用信息与通信技术为电动汽车提供充电服务的物联网，可分为城际

网络和城市网络两大类，其中，城市电动汽车充电网络服务于高密度、

大容量车流的高随机、高突发充电需求，成为热门研究发展方向。目

前，国内外相关研究主要集中在既有网络服务服务质量分析与优化，

以及面向未来的网络规划和网络优化等方面。

既有网络服务服务质量分析与优化包括电动汽车的路由策略优

化和公共充电站的服务策略优化。路由策略优化基于电动汽车的出行

任务以及公共充电网络的运行状况，对电动汽车的行驶路径、任务次

序、充电站点选择和充电时间进行优化，在确保完成出行任务且电量

不会耗尽的基础上，减少电动汽车出行的成本。服务策略优化则根据

网络中电动汽车充电需求的分布，通过预约充电、限制充电时间、改

53

变充电价格、调整充电顺序等手段，防止电动汽车涌入少数充电站点，

减少排队等待时间，避免无法进入充电站点充电的情况。

面向未来的网络规划和网络优化则在城市不断发展、电动汽车数

量不断增加的背景下，测算未来城市电动汽车的充电需求，利用建站、

扩容等手段调整充电网络拓扑结构，实现充电站资源的合理配置，提

升网络时延、吞吐量等服务质量指标。

总的来说，围绕电动汽车公共充电网络，国内外相关研究不断深

入，在网络连通与覆盖、网络服务质量分析与优化、充电任务调度、

网络规划与网络优化等方面的科学与工程问题，已有众多文献针对车

队合作充电、出租车准合作充电和私家车非合作充电等不同应用场

景、运用一些行之有效的方法开展了研究工作，然而目前电动汽车针

对充电网络智能化和信息化水平还不够高，缺乏足够的实际运营数据

支撑，电动汽车智能充电网络的建设和运营若干关键问题仍有待突

破。

(二) 全球发展态势

全球各地已形成不同规模的电动汽车充电网络。截止 2017 年底，

美国共有 16534 座不同规模的充电站，45178 座充电桩，较 16 年增

长 18%。位于加拿大魁北克省的蒙特利尔市，每 15 公里的圆形区域

内拥有超过 1000 座充电站，形成由多家运营商共同建立起来的异构

网络。伦敦目前拥有超过两万座充电桩，预计 2020 年将新增 1500 个

住宅区电动汽车快速充电桩以及将 1000 座路灯改造为充电设施，旨

在扩大网络覆盖范围，优化网络布局。韩国 2017 年新建 230 座位于

大型连锁超市的充电站，并将持续扩大网络节点至影院等场所，让用

54

户在充电时间内享受乐趣，优化服务质量。

目前，全球多家大型充电网络运营商在网络的建设和运营上成效

显著，同一运营商充电桩之间能够相互联网，充电桩自动识别车和驾

驶员、追踪统计每辆车剩余电量。相对于我国“整车厂商+设备制造商

+运营商+用户”的模式，欧美以充电网络为基础的“充电 APP+云服务

+远程智能管理”服务模式用户体验更佳，各家公司也在利用新一代网

络技术优化充电解决方案。

Chargepoint 建设的充电网络规模最为庞大，共有超过 2.5 万座充

电站，遍布欧洲、北美、亚洲、大洋洲。每座充电桩与任何品牌的电

动汽车都兼容，将数据上传至一台中心云服务器进行处理，再提供给

用户及电力公司。基于现有网络，为用户提供实时充电地点查询、快

速充断电、充电状态监控等服务，目前致力于融合多家运营商的充电

网络，便于用户选择充电桩时无缝切换。

Tesla 的超级充电桩网络在最近取得了里程碑式的进展，覆盖

99%的美国人口，相当于每 241 公里就有一个充电站，在全球范围内

超级充电站数量达到 1327 个，充电桩数量接近 1.1 万。超级充电桩

旨在连接两座距离较远的城市，满足城市居民的长途旅行需求。目前，

Tesla 正推出“城市超级充电桩”，将城际充电网络扩展到城市公共充

电网络，此类新型超级充电桩靠近当地公共停车场，专为提高车流量

大的城市区域的充电效率而设计。

欧洲覆盖面最大的荷兰 NewMotion 拥有超过 8 万个充电点，建

设了私家充电桩网络和企业公共充电桩网络，通过云连接的智能充电

桩可实时上传用户和充电点信息，根据电网负荷控制充电速率，均衡

负载同时节约用户充电成本。目前正进一步扩大网络容量，将数千个

55

工作场所得停车场改造为智能充电点。

韩国现代集团与 SK Networks 集团合作，在首尔上百个加油站内

增加 EV 快速充电区，激活潜在的网络节点，连接加油站网络与充电

网络，以低成本实现扩容，同时优化移动应用，用于定位充电点、预

约和支付服务费。

全球各地，充电基础设施网络化智能化建设如火如荼，充电网络

呈现向大规模、多层次发展的趋势。进入 5G 时代，大容量、高速率、

低时延的通信网络使得原有的设施通信瓶颈得以打破，充电网络的规

划和优化将迎来突破性的发展。

(三) 我国发展现状

在中国，发展新能源汽车产业已上升为国家战略，新能源汽车市

场规模迅速扩大，充电基础设施不断建设，公共充电网络逐步形成。

目前，国内各城市的公共充电网络建设运营可以分为以下几个阶段：

在北京、上海、深圳等城市，公共充电站点基本覆盖，互联互通水平

较高，充电网络已经初具规模，逐渐从重建设向重运营转变。在武汉、

郑州等城市，公共充电站点快速建设，但互联互通水平较低，充电网

络部分形成。在佛山、福州、太原等城市公共充电站点建设刚刚起步，

公共充电网络还未形成。

在北京，建设充电设施公共服务管理平台“e 充网”后，用户已经

可以通过“e 充网”APP 对绝大部分公共充电桩实现查找、导航功能，

同时查询空闲状态、快慢充情况、收费标准及开放时间、用户使用评

论等信息。在上海，新能源汽车充电设施信息整合的应用软件“联联

充电”已经接入了上海市绝大多数公共充电站点，覆盖超过 9 成的运

56

营商。在深圳，出租车充电信息服务 App 目前已上线使用，已接入

比亚迪、南方和顺等运营商充电桩。

在武汉，通过降低企业建设公共充电站的准入门槛，众多运营商

涌入，然而他们建设的充电站点之间无法共享信息，同时企业定价缺

乏标准，站点规划随意不合理。在郑州，政府大力推动充电站点建设，

然而缺乏统一的平台，全市具体的充电桩数量模糊不清。在这些城市，

虽然充电站点建设较多，不同运营商建设的充电站点也实现了信息共

享，但是，彼此之间信息互联水平较低，公共充电网络只是部分形成，

进一步导致运营管理粗放、公共充电站点利用率低。

在佛山、福州、太原等城市只是刚刚开始建设或规划建设充电站

点，站点数量、规模有限，公共充电网络的建设水平较低。

总的来说，大力建设公共充电站，同时利用信息与通信技术构建

充电网络已经成为不同城市充电基础设施建设的主要方向，但网络融

合和信息利用的水平较低，主要还是开放基础数据，比如充电价格、

桩的位置，充电电量、电压等级、电流、桩的形式等。

(四) 技术预见

1、国际技术预见

面对环境资源问题，作为解决方案之一的电动汽车保有量迎来爆

发式增长，充电基础设施由散点式建设逐步升级至城际网络、城区网

络的建设，网络规模不断扩大，如何提升服务质量成为用户关注热点，

也是近年研究热点。电动汽车充电网络作为物联网的典型应用，面对

的服务质量优化问题需扎根于物联网本身。

物联网技术是连接物与物，人与物的基础，是万物互联时代构建

57

智慧城市的核心技术，可分为四个层面研究，包括应用层、中间层、

网络层和实物层。应用层主要关注物联网在生活中创新性的应用场

景；中间层关注云平台的建设和数据处理机制；网络层主要研究通信

协议和网络接口；实物层关注传感器和嵌入式等技术。随着物联网应

用不断多样化，面临着新的技术挑战，如渥太华大学的 Kantarci 团队

对现阶段物联网热点技术如网络无缝连接（anytime, anywhere, anyone,

anything）、海量数据的存储和挖掘等做了深入研究。西英格兰大学的

Shancang Li等人讨论了5G通信发展下物联网的拓展性和异构网络的

连接；奥尔巴尼大学的 Soyata 团队研究了物联网用户安全和隐私的

保护方法。

电动汽车充电网络作为一张由充电站和充电桩互相连接的物联

网，也存在相似的技术热点和技术挑战。面对海量信息，为提高实时

性，需要保证充电网络与车联网、移动通信网络的无缝衔接，利用云

计算、雾计算提高信息传输和处理效率；为提高用户体验，便于换乘，

需融合多家运营商网络，提高异构网络的拓展性；为降低时延，扩大

吞吐量，需基于云平台研究网络路由、调度和拥塞控制方法；为保护

用户隐私，需优化网络安全机制。

5G 通信将在未来国际上电动汽车充电网络技术中扮演重要角

色，它使部署大规模、多类型、深层次的充电站网络成为可能，保障

人、车、桩之间的实时通信，将大大提升网络服务的稳定性，可以预

见，在 5G 时代，电动汽车充电难题将迎来突破。

2、国内技术预见

如何建设智能高效的公共充电网络以满足未来大量电动汽车的

58

充电需求，我们还需要解决以下问题：

规划、优化充电网络建设。

实现大规模公共充电网络的互联互通。

打通电动汽车和公共充电网络的信息壁垒，促进两者的高度融

合。

分析、利用公共充电网络和电动汽车的海量信息数据。

随着 5G 时代的来临，高速率、低时延、大容量的新一代移动通

信技术勾画了万物互联的图景。国内也掀起了研究车联网技术的热

潮，车辆之间以及车辆与行人、与公共设施、与网络都能实现高质量

通信。同样，5G 技术下，电动汽车之间以及电动汽车与充电网络的

互联互通也成为近年的研究热点，海量信息为公共充电网络的建设与

运营提供坚实依据。伴随着万物互联，车联网、公共充电网络融为一

张智能网络，进一步与公交网络等融合，共同融入智慧城市中。

当然，如何处理海量数据就成为公共充电网络智能化的关键。以

云计算、雾计算为代表的新一代移动计算技术成为处理公共充电网络

大数据的可行方法。电动汽车可以根据充电网络运行状况，在云端规

划路径；公共充电站点也可以根据电动汽车的位置、电量信息，预测

充电需求，及时调整运营策略。

考虑到电动汽车电池充放电非线性，以及充电请求高随机、高突

发的特性，目前常用的基于启发式算法的优化方法可能无法解决未来

公共充电网络的优化问题。可以预见，未来人工智能技术与公共充电

网络优化的结合会愈发紧密。

59

(五) 工程难题

1、国际工程难题

全球范围内电动汽车销量的崛起让人看到降低碳排放的光明未

来，但是配套充电网络的规划、建设与服务质量优化在工程上仍然存

在诸多难点，除了需要在网络相关的科学问题上寻求突破，也需要攻

克相关工程难题，否则不能实际解决电动汽车充电难问题。

充电网络需要进一步优化布局和扩容。目前除了欧洲、北美、日

韩的个别大城市，大部分地区充电站还多建立在城市边缘或者高速公

路旁，对于中心城区用户来说，基本都使用私家充电桩和散点分布的

独立充电桩，难免遇到桩位紧张的状况。在城区如商场、影院、景区

等地加桩建站能满足热点地区的充电需求，但面临施工建站、送电安

全等建设问题，理论上分析的理想结果有可能无法实现。

多层网络间需要无缝衔接。为实现电动汽车的无忧充电，需要连

接充电网络、电力网络、无线局域网、移动通信网络、车联网等多张

网络，走完请求服务、数据处理、充电操作等一整个流程，这需要每

张网络之间的通信做到实时快速、数据传输精准无误，这将是决定网

络服务质量的关键。目前不少充电停车位都位于地下车库，时常出现

信号终端的问题，大容量、高带宽、低时延的 5G 技术将成为攻破这

一难题的关键。

网络服务质量亟待优化。当网络实现较好的覆盖和联通之后，网

络的服务质量很大程度取决于支撑服务的算法，目前不论是美国、欧

洲还是日韩，还没有一款能够集充电点定位、等待时间估计、充电桩

实时推荐于一体的应用，能降低全体用户的等待时间，增大网络吞吐

60

量。在 5G、超快充等技术支持下，云端能获取更多信息量，实现一

些在理想情况下效果较好的算法，优化网络服务质量。

要建设好电动汽车充电网络，优化网络服务质量，以上工程难题

都需要攻克。可以预见，在 5G 时代，充电网络的不少难题将得到有

效解决。

2、国内工程难题

伴随着公共充电站点快速建设，如何对公共充电站点进行智能

化、网络化改造，促进互联互通，进一步提升服务质量，我们还需要

解决如下工程难题：

完善公共充电站设备接口技术标准。已颁布的部分技术标准未严

格执行，不同品牌的电动汽车与不同厂商的充电设备不兼容，充电设

施在物理上无法互通，充电便利性大大下降。

统一不同运营商的通信协议标准。目前由于采用了不同的通信协

议标准，电动汽车用户需要使用不同的 App 才能在不同运营商的公

共充电站进行预约、准入等操作，非常麻烦。

建立充电信息服务平台。在充电运营企业相互博弈的同时，需要

协调各方利益，实现充电信息的互联互通和支付互联互通，提升充电

服务的质量。

保护电动汽车用户的隐私。电动汽车用户的位置信息、电量信息、

历史充电数据等都是分析、提高公共充电网络服务质量的关键，同时

需要保护这些重要隐私数据，防止隐私泄露。

探索充电服务的成熟商业模式。在部分城市的公交、出租等特定

领域，通过实行燃油对价、峰谷电价、充电服务费等措施，商业模式

探索取得一定进展，但仍不具备大范围推广应用的条件。

61

(六) 政策建议

1、技术政策建议

电动汽车智能充电网络是关系到千家万户电动汽车出行的公共

基础设施，其重要性不亚于加油站之于传统的燃油汽车，但智能化、

信息化程度远远高于后者。要从战略高度重视电动汽车公共充电基础

设施建设和运营，为新一代电动汽车和智能网联汽车提供优质、高效、

便捷的服务，就要进一步支持电动汽车智能充电网络关键技术研究，

充分发挥通信、电力、汽车等不同学科背景研究人员的协同优势，在

目前立足于电网和汽车的研究已取得一定进展而网络自身研究尚未

取得关键技术突破的时代背景下，加大对信息与通信工程等学科相关

研究的支持力度，重点支持网络连通与动态覆盖问题，网络节点上电

动汽车等候时间、充电时间与节点间电动汽车行驶时间的统计时序分

析问题，网络节能与路由问题，网络规划与网络优化问题，以及电动

汽车出行大数据、用户隐私保障与信息安全问题，并未雨绸缪，围绕

下一代高密度、大容量电动汽车智能充电网络布局一批共性关键问题

重点研发计划项目，保持“车桩相随，适度超前”的建设力度，研究

先行，推动成果转化，支撑电动汽车智能充电网络更高水平建设与运

营。

2、产业政策建议

发展电动汽车充电基础设施，要把工作重心从充电桩自身研究、

开发和部署转向电动汽车公共充电网络建设与运营上来，避免重复建

设、低效建设。要推动应用基础研究成果转化为生产力，从保障车桩

比，建成 X 公里充电服务圈，逐步转向分析和优化网络服务质量，

62

建设和运营有 QoS 保证的电动汽车充电网络，提供更高水平的智能

化、信息化、网络化充电服务，推动城市电动汽车公共充电网络从建

设转向运营，从自发、分散、多头建设、小规模运营的若干子网，转

向集约化发展、高度智能化、信息化的多网融合的一张大网，适时出

台建设与运营适度分离的专业化产业政策，实施兼并重组，推动电动

汽车智能充电网络运营商向全业务运营商转变，推动从“向规模要效

益”到“向质量要效益”转变，建成全国性城市电动汽车智能充电网

络和城际电动汽车智能充电网络，实现绿色出行、智慧出行，更好地

满足人民群众对美好生活的向往。

四、人工智能芯片关键技术发展

(一) 研究概述

近年来，人工智能和芯片设计双双成为了产业界排名前列的热搜

词。二者的结合，人工智能芯片，更是成为了大家关注的焦点。作为

人工智能三大要素之一，人工智能芯片为人工智能技术提供核心算力

支撑。本报告基于笔者在相关领域多年的研究，简单介绍并讨论人工

智能芯片技术及其发展趋势，希望能为相关部门制定技术和产业发展

政策提供一点参考。

在讨论人工智能芯片技术之前，有必要介绍一下人工智能技术。

人工智能技术按发展程度可以分为以下两类：第一类是弱人工智能，

只专注于完成某类特定任务，例如分类识别任务（包括语音、图像等

信号的分类识别），是擅长于单个方面的人工智能，其发达程度并没

有达到模拟人脑思维的程度，缺乏思考、抽象思维等能力，更不具备

创造能力，所以弱人工智能仍然属于工具的范畴。现有人工智能技术

几乎都属于弱人工智能，如人脸识别、自动驾驶、医学图像诊断，甚

至谷歌的阿尔法狗，因为它们都只能完成简单的分类识别任务，而不

像人一样除了分类识别还可以完成更高级的任务，如推理，联想、创

新等。

第二类是强人工智能，属于人类级别的人工智能，在各方面都能

和人类比肩，它能够进行思考、计划、解决问题、抽象思维、理解复

杂理念、快速学习和从经验中学习等操作。强人工智能包括了学习、

语言、认知、推理、创造和计划，目标是使人工智能在非监督学习的

情况下处理前所未见的细节，并同时与人类开展交互式学习。在强人

64

工智能阶段，由于已经可以比肩人类，同时也具备了人格的基本条件，

机器可以像人类一样独立思考和决策。总的来说，现有人工智能技术

仍处于弱人工智能时代，离具备思考和创造能力的强人工智能还相距

非常遥远。

现有的人工智能技术主要基于神经网络。神经网络是科学家通过

借鉴人脑的神经网络构建的一种计算模型，主要用于对输入信息的分

类识别等处理。如图所示，神经网络由多层神经元构成，输出个数表

示分类种数。神经元之间有一些连接，这些连接承载了神经网络中最

重要的信息（即权值），神经网络的主要运算即前一层多个神经元的

输出乘以相应的权值再求和作为后一层某个神经元的输入，依此类

推，这个过程我们称之为推理。神经网络的初始权值都是未知的，要

想将神经网络用于图像、声音识别等任务，必须先对神经网络进行训

练（又叫学习）。例如图片识别，我们将一张输入图片给到神经网络，

并告诉它该图片的分类（如汽车），即完成了一次训练，训练中所有

权值通过一个叫反向传播的算法进行更新。神经网络通过大量不同汽

车图片的训练，可以逐渐找到适合该任务的最佳权值，该神经网络就

可以用于汽车图片的识别了。

图 4-1 神经网络基本模型

人工智能芯片是用于神经网络计算的专用芯片。人工智能计算最

初采用计算机 CPU 处理器作为其硬件平台，可以处理一些小的神经

65

网络。然而，随着神经网络规模的增加，CPU 处理器并行程度不够，

处理速度跟不上，无法实现处理的实时性。因此，人们开始寻找更适

合的人工智能计算硬件平台。图形处理器 GPU 本是为图形图像处理

而设计的，但因为 GPU 集成了大量并行的计算单元，因此神经网络

可以利用这些计算单元实现计算（如乘法与求和运算）的并行加速，

其计算速度远大于 CPU。在很长一段时间内，人工智能都以 GPU 作

为其硬件平台，因此 GPU 公司（如英伟达）也就顺利成章的成为了

人工智能芯片的领导者。然而，GPU 毕竟不是专门针对人工智能计

算而开发的，在架构上存在较多局限性。其中一个例子就是 GPU 虽

然可以将乘法运算并行得很好，但在数据读写和搬运上效率却非常

低，而数据读写和搬运在神经网络的计算中占了很大的比例。因此，

人们开始研究人工智能专用芯片，如随后出现的谷歌、华为、寒武纪、

深鉴科技等公司的产品。这些芯片和 CPU/GPU 的最大区别在于，它

们设计了专门针对神经网络计算的硬件架构和电路，可以为神经网络

计算提供更快的速度、更高的能效和更低的硬件开销。

(二) 全球发展态势

1、人工智能芯片分类

现有的人工智能芯片按类型可以分为两大类：其中一类是基于人

工神经网络的人工智能芯片。人工神经网络是参考了人脑的运行机理

并和传统计算模型相结合的神经网络，可以说灵感取之于人脑但又不

同于人脑。在人工神经网络中，数据通过传统计算模型的二进制数值

来表示，数值在神经元处完成乘加运算，并继续向后一层传播。当输

入信息到达后，受时钟控制，所有的神经元在每一个时钟周期都在进

66

行运算，直到产生输出为止。目前市面上大多数人工智能芯片都是基

于人工神经网络的芯片，如谷歌，Intel，华为，寒武纪，深鉴科技，

地平线等公司的人工智能芯片。需要指出的是，这些芯片一般只实现

神经网络的前向推理过程，而权值的学习则是离线完成的。这是因为

相对于推理过程，权值的学习需要大量的迭代运算，运算量较大，要

做到实时在线学习难度较大。

另一类人工智能芯片是基于脉冲神经网络的芯片（又称神经形态

计算芯片或类脑芯片），它是完全仿造人脑的运行机理来设计的。数

据的表示不再是数值，而是一个个脉冲信号，信息通过脉冲信号到达

的时间来进行编码，和人脑的机制非常相似。和基于人工神经网络的

人工智能芯片不同，所有的神经元并不是随时随地都在工作的，而只

在收到前一层神经元的脉冲后才开始计算。另外，所有的神经元也不

是随时随地都在输出，当收到的脉冲累加达到一定阈值，神经元才会

产生一个脉冲。通过这种跟人脑几乎相同的运行方式，可以实现极低

的计算功耗。另外，和人工神经网络的监督学习不同，脉冲神经网络

可以进行非监督学习（又叫自主学习），即只需要提供输入信息，而

不需要告诉神经网络输入信息的分类，神经网络可以根据某个策略自

己调整权值。这跟人的自学方式非常相似，很可能是从弱人工智能走

向强人工智能的一个途径，因此神经形态计算芯片又被称为下一代人

工智能芯片。这类芯片的主要代表即 IBM 的 TrueNorth，完成图片识

别等任务只需要毫瓦级别的功耗。

2、人工智能芯片进展

如前所述，在专用人工智能芯片出现之前，人工智能计算主要通

过图形图像处理器 GPU 进行加速。然而，GPU 并不是专门针对人工

67

智能计算设计的，没有针对其特点进行架构和电路的优化，导致较高

的延时和功耗。最近几年，开始出现一些人工智能专用芯片的研究工

作，主要涉及架构和电路两个方面的研究。在架构方面，Google 的

TPU 和麻省理工大学的 Eyeriss 均采用了基于脉动阵列架构的人工智

能处理架构，通过脉动阵列降低对片外存储模块的读写，从而提高计

算速度和降低功耗。同时，Eyeriss 在处理的时候对输入数据进行检

测，跳过对零值数据的处理（如图 4-2），并对需要传输到片外存储的

数据进行压缩。通过这些方法提高了人工智能处理器的能效。韩国科

学技术院研发的人工智能处理器，通过近似滤波器的方法将矩阵卷积

运算分解为两步一维向量卷积计算，在小于 1%的误差下大幅降低了

运算量（>70%）。同时，在他们研发的另一款人工智能处理器中，根

据各层的运算结果动态调整权重系数的精度（如图 4-3），用 4bit 的权

重系数实现了与 32bit 浮点可比拟的识别准确率，极大地降低了运算

量。此外，还通过权重系数非均匀量化和基于查找表的乘法运算，进

一步降低了运算量。密歇根大学对人工智能处理器中的片上内存架构

进行了改进，引入了多级存储的概念（如图 4-4），并结合动态电源管

理技术降低了处理器功耗。在电路方面，比利时鲁汶大学对人工智能

处理器中的乘法器进行了改进，提出了动态精度的乘法器，根据准确

率的要求动态调整乘法器的精度，并与动态电压调节技术相结合降低

处理器功耗。哈佛大学对人工智能处理器中权重系数的表示方法做了

研究，发现与二进制补码的表示方法相比，符号与幅值的表示方法可

以大幅减少电路的开关率，从而降低处理器功耗。韩国科学技术院根

据人工智能处理器中内存访问的特点，设计了支持多行读取的片上内

存（SRAM）电路（如图 5），在提高内存访问速度的同时降低了功耗。

68

图 4-2 美国麻省理工大学 Eyeriss人工智能处理器 - 零值数据处理技术

错误!未找到引用源。

图 4-3 韩国科学技术院人工智能处理器 - 动态权重系数精度调节技术

图 4-4 美国密歇根大学人工智能处理器 - 多级存储技术

图 5 韩国科学技术院人工智能处理器 - 支持多行读取的 SRAM电路

69

(三) 我国发展现状

中国在人工智能芯片领域的研究处于世界前列。中科院计算所研

发的寒武纪系列人工智能处理器，设计了适用于神经网络算法的专用

指令集。基于这一指令集架构设计了面向云端机器学习推断任务的

“寒武纪 MLU100”，理论峰值速度达每秒 128 万亿次定点运算。同

时基于该架构设计了面向终端推理的“寒武纪 1M”，能耗比达到

5Tops/W，并提供 2Tops、4Tops、8Tops 三种规模的处理器核，满足

不同场景、不同量级的 AI 处理需求。清华大学微纳电子系可重构计

算团队设计了可重构混合神经网络计算芯片 Thinker，该芯片基于团

队长期积累的高能效可重构计算架构，针对神经网络容错性高、计算

密度波动大、访存模式复杂等特点，提出了自适应多位宽计算、按需

资源划分和片上数据复用等高能效技术。Thinker 芯片支持目前人工

智能中广泛使用的多种典型神经网络，是一个通用的神经网络计算平

台。深鉴科技公司研发的基于 FPGA 的人工智能芯片采用了深度压缩

技术，这项技术不仅可以将神经网络压缩数十倍而不影响精度，还可

以使用芯片存储深度学习算法模型，减少内存读取次数，大大降低运

行功耗。与此同时，深鉴科技推出了两种适合压缩模型的底层架构—

—亚里士多德架构和笛卡尔架构，以及与之配套的深度神经网络开发

工具包。华为公司设计了基于达芬奇架构的人工智能芯片，把计算用

的乘加器按照不同的计算组织成不同的方式，并搭配标准的数据缓

存。当要做人工智能相关的计算时，可以使用按三维立方模式组织的

MAC 群，从而支持相关计算。当需要其他常规计算时，则可以使用

矢量或标量计算 MAC。对于不同规模的芯片，可以通过放置不同数

量的达芬奇核心来满足需求。总的来说，国内人工智能芯片的研究已

70

经处于世界前列，但还只是紧跟国外的技术水平，还未实现真正意义

上的超越。

(四) 技术预见

随着人工智能技术和芯片设计技术的发展，人工智能芯片可能迎

来以下几个发展趋势：

1、从离线学习到在线学习

由于学习算法的运算量较大，目前大部分人工智能芯片都是基于

离线学习，权值是预先训练好的，不会随时间实时变化，因此不具备

自适应性。如果测试样本和训练样本差别较大，则准确率无法得到保

证。为了像人一样边做边学，积累经验，人工智能芯片必须具备在线

学习的能力，即在同一芯片上实现推理和学习两个过程。前文提到，

目前的神经网络学习算法计算复杂度较高，实现在线学习难度较大。

然而，随着芯片计算速度的不断提升和学习算法的优化，人工智能芯

片将逐渐包含在线学习，这将极大地增加人工智能芯片的自适应性。

2、从监督/非监督学习到混合学习

神经网络的学习方式分为监督学习和非监督学习。目前的人工智

能芯片一般采用其中一种学习方式。和监督学习相比，非监督学习具

有更高的自主性，可能是实现强人工智能的一条途径。然而，非监督

学习的效率较低，可能会走弯路，也可能会朝错误的方向前进，二者

各有优缺点。因此，如何将二者有机的结合起来，设计具有混合学习

能力的人工智能芯片，是一个值得研究的课题。就跟人一样，有的时

候可以自学，有的时候需要老师指导，二者结合起可以事半功倍。

3、从高性能到低功耗低成本

目前大多数人工智能芯片的设计主要侧重于性能，面向的是数据

71

中心、自动驾驶、智能手机等高端应用，对功耗和成本不太敏感。随

着人工智能芯片逐渐普及，人工智能芯片将逐渐被用到一些中低端应

用，如智能传感器、可穿戴设备、物联网终端等。这些应用对性能要

求相对较低，但对功耗和成本要求却非常高。同时，针对这些应用的

设备需求量巨大，市场增长快。因此，未来的人工智能芯片，将有很

大一部分瞄准这些应用市场，芯片的设计目标，也将从高性能向低功

耗、低成本方向转变。

4、从基于传统器件技术到基于新型器件/集成技术

随着神经网络性能的提升，神经网络的规模也日益增大，对硬件

的要求越来越高。目前的人工智能芯片主要基于传统 CMOS 器件，

集成度较低，单个芯片所能包含的神经元个数有限，跟人脑中神经元

的个数相距甚远。为了满足不断增大的神经网络规模，未来的人工智

能芯片将采用新型器件或封装技术，如忆阻器技术、三维集成电路技

术等，采用这些技术实现神经元及网络连接，可以大大减少神经网络

的硬件开销，从而提高单个芯片所能实现的神经网络规模。同时，采

用这些技术的神经网络在计算功耗上也会大大降低，是人工智能芯片

未来的一个发展趋势。

(五) 工程难题

目前，人工智能芯片领域的工程难题主要包括以下两个方面：

1、随着人工智能技术的发展，人工智能算法在不断的演化。同

时，针对不同的应用，人工智能算法需要进行定制和优化，从而满足

不同应用的需求。在这种情况下，固定的硬件架构很难适应上层人工

智能算法的变化，无法发挥出算法的优势。采用可重构硬件 FPGA 虽

然可以实现较高的灵活度，但 FPGA 是通用型可重构硬件平台，冗余

72

极大，无法达到最佳的计算性能，同时功耗高，成本高。因此，迫切

需要开发专门针对人工智能的可重构计算芯片，这类芯片针对人工智

能算法的共性特点设计专用硬件架构，和 FPGA 相比具有更高的计算

性能和更低的功耗、成本。同时，该硬件架构又可以通过不同层面不

同粒度的硬件重构去匹配不同人工智能算法的个性特点，从而适应算

法的变化，在计算性能和功耗等方面做到最优。如何设计这样一种可

重构人工智能计算芯片，在灵活度、性能、功耗和成本之间进行很好

的平衡，是一个需要解决的工程难题。

2、人工智能芯片的计算性能主要受神经元计算和数据搬运（包

括片上和片下）两部分影响，神经元计算的性能可以通过增加计算单

元数量来解决，数据搬运的性能却很难解决，因此逐渐成为了人工智

能计算性能的瓶颈。虽然近年来出现了不少技术用于解决数据的搬运

问题，例如数据压缩、近似计算、内存架构优化等，然而效果都非常

有限。内存式计算是一个全新的计算架构理念，通过将计算单元和内

存单元进行融合，可以让数据直接在内存中完成运算，避免或大幅降

低了数据的片上和片下搬运，从而解决计算性能的瓶颈问题。内存式

计算可以基于传统的 CMOS 电路实现，但硬件开销极大，无法实现

大规模神经网络。另外一种实现方式是基于新型器件技术，如 RRAM，

PCRAM 等低开销存储器件，从而降低硬件开销。但这些器件技术目

前都还未成熟，达不到大规模量产的能力，且在性能、功耗上还存在

较多问题，需要进一步改进。如何通过内存式计算、新型器件等技术

解决数据搬运的瓶颈问题，是一个工程难题，为了解决这个难题，需

要在芯片设计、器件设计等领域开展大量跨学科交叉研究。

73

(六) 政策建议

人工智能芯片技术的发展离不开政策的引导和支持，笔者认为，

在制定相关政策时可以从以下几个方向去考虑：第一，在布局方面，

需要同时考虑在云端人工智能芯片和终端人工智能芯片方向的布局。

云端人工智能芯片需要处理不同类型的数据，因此更强调通用性和性

能；而终端人工智能芯片针对的是特定类型数据，更强调专用性、功

耗和成本。二者相互结合，才能形成完整的应用解决方案。第二，需

要考虑长短线结合的人工智能芯片发展策略。此处短线指的是能够马

上转化为产品、解决实际问题的人工智能芯片技术，如基于人工神经

网络和成熟集成电路工艺的人工智能芯片。对这类技术，应该在鼓励

创新的同时重点引导其与实际应用相结合，解决实际问题。长线指的

是不能马上转化为产品的人工智能芯片技术，如类脑芯片、基于新型

器件的人工智能芯片等。对这类技术，可以鼓励前沿性研究，鼓励跨

领域/跨学科协同创新，在未来形成突破。第三，在应用方面，应该

首先考虑可以落地的应用领域，如健康医疗、智能监控、自动驾驶等

应用领域，通过人工智能芯片解决应用真实需求，形成真正具有商业

价值的人工智能芯片发展战略。第四，可以通过重大科研项目立项，

鼓励高校和企业联合申报，从而整合高校和企业在前沿技术和产品研

发方面的优势，形成快速突破。第五，可以制定针对人工智能芯片领

域初创公司的政策支持，解决公司发展初期的实际问题，帮助他们成

长。例如，芯片设计行业和其他行业不同，初期流片验证的费用很高，

政府可以考虑给予相应的补贴。另外，人工智能芯片属于前沿和新兴

领域，人才难求，可以考虑对该领域初创公司招募人才给予相应的补

贴。第六，政府可以考虑设立专门的产业投资基金，寻找在人工智能

芯片领域具有潜力的初创公司进行投资，并与人工智能应用方面的初

创公司对接，构建产业生态圈。

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