我國智能機器人核心芯片技術發展戰略研究

莫洋，王耀南，劉杰，繆志強，張鑫，江未來

（1.湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082；2.機器人視覺感知與控制技術國家工程研究中心，長沙 410082）

一、前言

智能機器人作為新一輪科技革命和產業革命的代表性成果，其研發與制造涉及人工智能、機械工程、控制論、材料、計算機等多學科領域，產業鏈覆蓋面廣、帶動性強，是推動我國工業、農業、國防等各大行業轉型升級的戰略性產業，也是衡量國家科技創新實力的重要標志。隨著智能機器人逐漸融入到人類的生產與生活中，其面臨的環境愈發多樣，從事的任務愈發復雜，高可靠、高動態、強對抗的應用需求對智能機器人的算法與算力提出了高要求，但我國在機器人所需的核心高性能芯片領域仍相對薄弱，核心部件的自主研發生產能力與國際領先水平相差較大，算力、穩定性和集成化程度等方面表現不佳。伴隨著國際形勢日益嚴峻，中美貿易摩擦升級，逆全球化趨勢愈演愈烈，加強國產制造能力，掌握新興產業主導權，實現智能機器人芯片技術及其產業鏈的自主可控刻不容緩。

目前，我國智能機器人核心芯片領域的研究仍處于起步階段，制定合理的戰略規劃對于其發展具有至關重要的作用。已有研究較為系統地梳理了智能機器人與芯片技術的發展現狀并提出發展策略建議。相關研究圍繞當前人工智能核心軟硬件在技術、產業和政策的發展情況，梳理總結了我國面臨的生態體系不完整、基礎理論研究存在短板、創新環境不完善等問題，為其技術和產業發展提出了思路與目標[1]。文獻[2]瞄準陸空協同多模態智能機器人，分析了該種機器人的發展現狀，指出其缺乏系統的發展規劃，沒有形成全鏈條式的發展模式，軟硬件結合度不夠等問題，并給出相應發展建議。文獻[3]對人工智能芯片的概念、分類、發展歷程進行介紹，對其產業發展現狀與趨勢進行調研與判別，并圍繞人工智能芯片產業發展提出了建議。“先進半導體材料及輔助材料”編寫組提出了半導體材料與輔助材料的體系化發展、上下游協同發展與可持續發展思路，形成了集成電路發展的相關對策建議[4]。工業和信息化部、發展和改革委員會、科學技術部等15個部門聯合印發了《“十四五”機器人產業發展規劃》[5]，為我國智能機器人產業提供了發展路線指引。

機器人是芯片技術研究的載體，芯片是機器人功能實現的保障，兩者發展具有深刻的內在聯系，這是當前研究未能深入探討之處。為此，中國工程院及時針對智能機器人核心芯片自主可控發展的全局性和關鍵性問題，啟動了相關研究，旨在梳理戰略規劃、論證技術路徑、提出技術方案。本文分析了智能機器人核心芯片的重要價值與國際進展，總結我國的基礎優勢與面臨的問題，著重論證技術發展路線并提出面向2035年的發展路線圖，以期為國家產業政策、技術規劃、技術攻關等研究提供參考。

二、智能機器人核心芯片發展的戰略意義

智能機器人核心芯片是一種專門用于實現感知、控制、導航、決策、規劃等機器人計算功能的高性能處理器，是機器人在復雜環境完成各類作業任務的關鍵。通過對智能機器人核心芯片技術發展戰略的研究，能夠為相關技術的研究提供思路，推動技術鏈、產業鏈的自主可控，促進經濟高質量發展。

（一）推動技術自主可控的重要賽道

目前智能機器人核心芯片產業面臨著嚴重的內憂外患。內憂在于機器人芯片產業鏈核心技術嚴重不足，國產化率很低，國內芯片封裝測試初步可控，但設計與制造等高端環節自主可控率嚴重不足；外患在于目前大國博弈的國際形勢，西方國家對我國高端設備、材料與技術進行封鎖，對先進芯片實施禁運，以遏制中國的發展。因此，亟需開展智能機器人核心芯片技術方案論證，根據算法模型特點設計芯片計算架構，根據計算架構優化算法模型與編譯，以實現高性能、低功耗、低延時的目標，推動“直道追趕”和“換道超車”雙線并行，積極搶占集成電路技術創新競爭高地，增強智能機器人核心芯片技術鏈、產業鏈自主可控能力。

（二）實現經濟高質量發展的重要支撐

智能機器人是集成眾多領域技術的高端裝備，是產業間技術融合和創新的產物，核心芯片技術的發展能夠提升智能機器人的作業能力與適應能力，進一步釋放智能機器人的需求，從而帶動整條產業鏈的技術升級和產品結構優化，對實體經濟振興起到明顯效果，進而成為經濟脫虛向實的重要手段。大力發展智能機器人及其核心芯片技術能夠帶動制造業的全面提升，成為制造強國建設的突破口。此外，作為信息革命的代表性產業，智能機器人核心芯片產業的發展能夠進一步整合大數據、云計算、物聯網，5G通信等新興技術，構建新型工業體系，成為推動我國經濟高質量發展的“火車頭”。

（三）滿足人民對美好生活需要的重要保障

我國社會的主要矛盾已轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分發展之間的矛盾。智能機器人核心芯片技術的發展能夠提升智能機器人的應用范圍，大大提升社會生產力，將人民從重復機械性勞動中解脫出來，創造更多更高層次與質量的工作崗位；智能機器人適應性的提升也能加大特種作業需求，使人遠離危險作業任務，如何在消防、治安、搜救、排爆等工作中發揮出重要作用；智能機器人的大規模利用能夠有效提升生產效率，從而減少生產過程中的消耗和污染。推動智能機器人產業的發展，能夠有效節約資源、減少排放，成為建設“兩型社會”的重要支撐。

（四）提升國家核心競爭力的重要載體

大力推進智能機器人核心芯片技術與產業的發展，有助于保障我國國防安全、搶占全球科技制高點，從而有效提升國家核心競爭力。目前無人化戰爭已逐步成為現代戰爭的主流，無人系統作為一類具備自主移動能力的智能機器人，其態勢感知、規劃決策、多機協同、運動控制等都離不開智能機器人核心芯片的計算處理能力，本項目的研究有助于推動軍事智能化的發展，推動我國國防現代化進程。而機器人核心芯片作為新一輪科技革命的典型產品，是衡量國家科技創新實力的重要標志，目前我國在這個方面具有很大的發展潛力，大力發展機器人核心芯片能夠快速推動我國相關高技術產業發展，提升國家核心競爭力。

三、智能機器人核心芯片的國際發展現狀

（一）政策規劃方面

近年來，全球性的芯片短缺給所有智能化產業都帶來了嚴重的影響，世界各主要發達國家和地區針對芯片發展制定了一系列政策規劃，圍繞技術革新、接口標準、財政計劃等全面布局，搶占芯片技術發展主導權。

美國2020 年推出《2020 美國晶圓代工法案》，建議國會收緊芯片制造技術的瓶頸，以防止中國在未來幾年內超越美國。隨后又推出《2021年美國創新與競爭法案》（USICA）主張對我國采取強硬的反制措施，提高美國與中國科技競爭的能力。歐盟委員會2020年發表了《歐洲處理器和半導體科技計劃聯合聲明》，預計投入1450 億歐元助力半導體產業發展。日本2020 年發布了“綠色增長戰略”，將半導體產業作為重點發展領域。韓國2020 年宣布，將在未來5年內投資950萬美元，發展5 nm以下半導體光刻工藝的材料技術。

各傳統芯片強國意圖依靠其豐富的經驗，強大的創新能力，以及雄厚的經濟實力，在政策法規的引導下，憑借國家戰略達成各方共識，將優勢資源引導至芯片領域，從而引領新一輪科技革命，進一步加強其競爭優勢。

（二）技術方面

在新一輪科技革命的浪潮中，機器人的應用場景與作業需求日益復雜，對其環境感知、決策規劃、導航定位、運動控制的算法算力提出了更高的要求。目前基于通用嵌入式處理器和可編程邏輯控制器的計算系統，不能滿足未來機器人的感知能力、認知能力、靈敏運動能力需求。因此，亟需研發新形勢下機器人核心芯片，融合最新的人工智能算法，提升機器人智能自主能力[6]。

在機器人智能算法方面，人工智能的賦能帶來了突飛猛進式的發展[7]：①人工智能提高環境感知效率。面向目標識別，提出了諸如SSD、YOLO、R-CNN等系列經典框架，讓智能機器人可以模擬人類大腦的計算方式，依靠多層卷積神經網絡大幅增強感知環境能力；②人工智能提升規劃決策能力。人工智能技術的迅速發展大大提升了智能機器人規劃決策的自主性，面向高動態、高復雜、強對抗環境依然能夠正常開展作業任務；③人工智能強化多機協同能力。以“機動能量和信息互聯”為基礎、圍繞“模型算法與數據計算”的核心，智能機器人能夠實現自主作業為主，人機協同、機機協同的合作，這將成為未來智能機器人運用的主要方式。人工智能技術在互操作、自主決策、集群控制算法等方面提供了強大的技術支撐。

在智能機器人計算硬件方面，正面臨摩爾定律失效的問題，并逐步朝著高能效、專用化、定制化等多元方向發展：①在通用人工智能芯片架構上，逐漸向類腦化和神經形態演化。2019年清華大學發布全球首款異構融合類腦芯片——“天機”，讓自行車真正實現自動行駛，登上Nature封面[8]；②在制造工藝上，芯片制造進入原子時代。2021年湖南大學、韓國三星高等技術研究院等在Nature上發表綜述文章，文章討論了二維半導體和傳統三維半導體的關鍵材料參數，總結了推動二維晶體管極限的途徑[9]；③在芯片設計上，未來人工智能（AI）自動設計或將實現。2021年谷歌大腦團隊聯合斯坦福大學在Nature上發表一篇論文，基于AI 的芯片設計方法進行了改進，并將其應用于Google I/O 2021大會上正式發布的下一代張量處理單元（TPU v4）加速器的產品中[10]。

在機器人智能算法與芯片硬件融合方面，類腦芯片是一種具有天然高能效優勢的智能算法實體化解決方案。眾所周知，算法、算力與數據是人工智能技術發展的三架馬車，人工智能技術的引入增強了機器人的算法效能，各類傳感器為機器人引入了海量的數據，類腦芯片的出現成為了承接算法與數據的載體。智能機器人芯片信息處理單元的架構也逐漸向仿生大腦結構的方向轉變，“存算一體”的類腦芯片成為了人工智能技術創新的基礎，在運行一些智能算法上具有高能效優勢。其底端的非易失性核心器件也正逐步取代易失性核心器件，從而更好地實現非結構化環境和復雜任務的智能計算功能。

（三）產業方面

智能機器人核心芯片技術涉及到半導體、機器人以及人工智能等多個產業。在半導體領域，加工制造設備的市場集中度較高，荷蘭、美國、日本的企業壟斷了全球芯片制造市場超過9成的份額[11]。在芯片產業鏈上，國外整體上都處于強勢地位，在芯片設計、制造、封測上中下三個主要環節都占據著主導地位。機器人方面，目前工業機器人巨頭企業主要集中在日本、美國、德國等工業發達國家。

因此，國際上智能機器人核心芯片產業已經形成了一系列商業化平臺。2017 年11 月，英特爾中國研究院正式發布HERO機器人平臺，是專為智能機器人（包括服務機器人、醫療機器人、自動駕駛汽車等）打造的一套低功耗、高性能、體積小的異構系統平臺方案。在該方案中，中央處理器（CPU）作為控制中心，與現場可編程邏輯門陣列（FPGA）和其他專用加速器芯片搭配，能夠提供優異的性能。2018年12月，英偉達發布世界首款專為機器人設計的芯片Jetson AGX Xavier。作為首款專為自主機器設計的計算機，Jetson AGX Xavier 的性能足以完成視覺測距、傳感器融合、定位與建圖、障礙物檢測以及對新一代機器人至關重要的路線規劃等任務。2020 年6 月，美國高通推出迭代產品機器人RB5平臺，成為高通專為機器人設計的最先進和高集成度整體解決方案，其在RB3基礎上提供了豐富的硬件、軟件和開發工具組合，助力開發者與廠商研制具有低功耗、高算力的下一代智能機器人，滿足消費級、企業級、工業級以及專業服務領域的要求。

四、我國發展智能機器人核心芯片的基礎優勢及面臨的問題

（一）基礎優勢

1.我國積極營造智能機器人核心芯片發展環境

國家歷來重視基礎科技和高新技術產業的發展，在歷次國家頂層宏觀政策中，都重點突出對機器人/芯片等高新技術產業的支持。2021 年3 月發布的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中更是提出在科技前沿領域要攻關集成電路技術，推動集成電路、機器人等產業創新發展，提升制造業核心競爭力。與此同時，國家相關部委也在專項規劃、政策扶持、進出口投資、區域發展和產業配套等方面提出了一系列政策文件，為國內機器人/芯片產業發展培育市場和人才提供政策與資金保障。相較于其他國家，中國特色社會主義制度也能夠最大限度地整合社會資源，通過宏觀調控、政策規劃、金融財政等手段集中力量辦大事，為智能機器人核心芯片發展保駕護航。

2.我國巨大的內需市場為智能機器人核心芯片發展提供強大動力

目前我國芯片市場規模正在擴大，芯片產值逐年增加。統計顯示，在過去的五年時間中，我國芯片產業年復合增值率超過了21%，達到了同期全球增速的近5 倍。依據世界半導體行業協會的統計，我國市場規模實現了跨越式的快速增長，市場份額達到了50.7%，高居全球第一。中國已經成為了全球芯片市場不可或缺的重要組成。據有關部門統計，近年來我國機器人產業體系年均復合增長率超過15%，產業規模也已突破1000億元。而集成應用的大幅拓展，使得國內制造業機器人密度早在2019年就已達到187臺/萬人，明顯高于全球平均水平。在服務機器人領域，市場擴張速度更加迅猛。據相關資料顯示，2013—2021年全球服務機器人銷售額年均復合增長率為19.2%，2021 年其所占機器人市場的比重就已達36%。巨大的內需市場是智能機器人核心芯片產業發展的最強動力[12]。

3.我國擁有最為完整的工業體系，具備良好的產業基礎

中國是全球最大的制造業國家，工業門類齊全，擁有聯合國工業分類中39個工業大類、191個工業中類、525 個工業小類的完整工業體系，產值規模高居世界第一。完整的工業體系能夠大大降低生產成本，提高生產效率，為智能機器人核心芯片產業的發展提供底層支撐。芯片關聯產業尤其是機器人產業鏈水平持續提升，我國機器人產業規模得到快速增長并已初步形成較為完整的機器人產業體系，機器人行業發展水平已進入世界第一方陣，隨著中國5G、人工智能、云計算等“新基建”的快速發展，將進一步加快智能機器人核心芯片產業的發展。

4.我國高學位的“人口紅利”，形成獨特的人力資源優勢

我國在科學、技術、工程和數學領域（STEM）的畢業生常年高居世界首位，據《中國科技人才發展報告（2020）》顯示，我國研究與試驗發展人員數量快速增長，年均增速超過7%，截至2020 年，人數達到了509.2萬，連續多年居世界第一。《中國集成電路產業人才白皮書（2019—2020年版）》的統計顯示，截至2019年年底，中國集成電路行業的直接從業人員規模達到了51.19 萬人。根據當前的發展態勢以及人均產值計算，截至2022年年底，該行業人才需求將突破74.45 萬人。2021 年國內各大高校集成電路學院也如雨后春筍般成立，其中包括多所國家“雙一流”建設高校。從中長期看，基于持續的工程師紅利和世界前列的人工智能技術優勢，中國有望比肩發達國家，引領未來機器人及芯片產業的發展。

5.國內智能機器人芯片產業邁出升級新步伐

近年來，我國機器人核心芯片產業在政策支持與市場需求的帶動下正快速發展[13]。目前國內在芯片設計、芯片制造和機器人應用等方面涌現了一批優秀企業。芯片設計領域是國內發展最成熟，技術最全面，也是和國際一流水平最接近的領域。主要有深圳市海思半導體有限公司、中科寒武紀科技股份有限公司、北京地平線機器人技術研發有限公司等芯片設計公司。在芯片制造領域我國與世界領先水平還存在較大差距，但也在這個領域站穩了腳跟，目前中芯國際集成電路制造（上海）有限公司、上海華虹（集團）有限公司和合肥晶和集成電路股份有限公司三家公司位列全球芯片制造代工企業十強。在機器人領域我國也有長足的進步，隨著市場進一步擴增，政策、研發投入力度持續加大，我國機器人發展迅速走強，出現了深圳市大疆創新科技有限公司、埃夫特智能裝備股份有限公司，沈陽新松機器人自動化股份有限公司等一大批領域內的優秀企業。這些公司的快速發展，展示了我國智能機器人芯片產業邁出新步伐。

（二）面臨的主要問題

雖然我國在智能機器人核心芯片方面已經取得了顯著的成效，但對比全球產業同期發展現狀，為實現相關技術、產業自主可控，仍然存在著一系列問題需要克服。

1.針對性的頂層設計缺失，戰略目標不清晰

國家全局的頂層戰略如“全面深化改革”“中國制造2025”“十四五規劃”均對智能機器人芯片發展具有重要意義。然而，智能機器人芯片由于與機器人技術以及芯片技術關系緊密，具有其獨特的發展規律，上述國家全局戰略對于智能機器人芯片領域發展難以起到精準戰略指導作用。近幾年，國家陸續出臺多項政策支持機器人和人工智能芯片產業發展，尤其是2009年后政府明顯加快了政策措施出臺速度和力度，從頂層設計、財稅金融、示范應用、人才培養等多角度發力支持機器人產業發展，政策疊加效應為我國機器人產業營造了良好的發展氛圍。然而，各部委制定的機器人和人工智能產業政策與當前智能機器人以及其核心芯片的關聯性不完全匹配，缺乏針對智能機器人芯片的指向性政策，難以起到整體戰略的引領作用。

2. 多個技術環節自主可控率普遍較低，受制于人

國外智能機器人芯片的設計、制造、測試、生態構建等，由于發展較早，技術壁壘較高，而國內起步較晚，且嚴重依賴進口，關鍵核心環節難以實現自主可控，諸多方面技術難題亟需突破。主要問題在于平臺核心支撐能力不足，缺少支撐智能機器人芯片技術跨領域、跨行業的互聯互通的平臺和集成開發環境；核心軟硬件產業基礎薄弱，對國外產品依賴度高，特別是電子設計自動化（EDA）、知識產權（IP）核、光刻機、硅晶圓、光刻膠等環節產業基礎薄弱，自主可控率非常低（≤5%），幾乎全部依賴進口；當前我國芯片設計業發展迅速但總體小而分散，僅有三家公司營收過百億，與國際領先的高通公司、博通公司超1000億元的營收差距依舊很大，存在著多而不強，大而不強，快而不優的問題，制約了智能機器人系統芯片技術的發展。

3.高層次人才短缺嚴重，學科發展不平衡

隨著芯片行業的持續發展，我國迫切需要一大批芯片行業領軍者。但由于各種內外因素，特別是外國政府和領先的國際企業的限制。海外的高層次領軍人才很少回國效力。國內高層次人才短缺嚴重的原因一方面是由于國內芯片產業發展時間段，經驗不足，在技術創新、產品研發、制造管理等方面的產業人才缺乏；另一方面是芯片專業的人才培養需要雄厚的學術基礎，開設相關專業的師資隊伍不齊全，沒有足夠數量的高校，難以有效滿足快速擴張的芯片制造企業對人才的龐大需求。

4.各行業環節發展不均衡，核心技術儲備不足

我國智能機器人芯片企業普遍弱小而分散，產品線少，資金實力不強，未形成合力，綜合競爭力遠弱于國外芯片企業，并且國內產品仍然主要集中在中低端市場，很多高端芯片核心技術仍待攻關突破和創新引領。國內在智能機器人芯片EDA 設計工具、芯片體系架構、芯片制造工藝、關鍵原材料以及軟硬件生態等芯片產業鏈核心環節，尚無法脫離國外核心技術，尤其是高端芯片EDA 設計工具與高工藝光刻機必須依賴進口，國內在打通整個智能機器人芯片產業鏈方面還有很長一段路要走。

五、我國智能機器人核心芯片技術發展路線論證分析

智能機器人有相對發達的“大腦”，在腦中起主要作用的是CPU。智能機器人智能程度的提高依賴于芯片處理能力的增強，現實是我國智能機器人系統芯片，特別是處理功能芯片等關鍵部件存在自給率低、性能不高等突出問題。因此，提出可行的智能機器人自主可控專用芯片技術發展路線，對解決機器人發展的“卡脖子”問題，提高我國機器人的智能化和安全性具有重要的產業價值和戰略意義。

（一）技術體系框架

本文從智能機器人處理功能的芯片純設計方面著手，進行算法芯片化設計技術體系規劃。該技術體系建議：從現有技術基礎（科學研究和產業技術）出發，剖析機器人關鍵算法，澄清關鍵算法芯片化技術，結合特定應用領域技術，開展算法、電路、架構、系統的軟硬件協同設計研究，在技術節點不占優勢的前提下，通過其他層面的變革性創新實現系統性能提升，并試圖找到我國智能機器人系統芯片自主可控發展的最優方案。

（二）多架構路線全面推進智能機器人核心芯片發展

算法是決定機器人功能的重要因素，如果把機器人與人類比，可以說算法相當于人類的智慧與靈魂思想。按照功能類別來分，主流機器人算法主要可分為感知算法、規劃算法、控制算法等幾類。未來的智能機器人發展需要先進的算法，同時應著重于芯片的能效比，因此，通過軟硬件協同的算法芯片化設計是趨勢，也是以差異化方式實現我國智能機器人系統芯片自主可控的必經途徑。

為推動智能機器人核心芯片發展，建議采用以下幾類處理技術體系模式（異構并行方式）的并行發展路線。CPU作為計算系統（智能機器人也屬于一種計算系統）的運算和控制核心，是信息處理、程序運行的最終執行單元，它是對系統內的所有硬件資源進行控制調配、執行通用運算的核心硬件單元。本文從處理角度出發，所有技術路線都包含CPU 作為主處理器。其中，圖形處理器（GPU）、FPGA 均是前期較為成熟的芯片架構，屬于通用型芯片。專用集成電路（ASIC）屬于為AI 特定場景定制的芯片，可將ASIC 分為全數字ASIC AI 芯片和數模混合存算一體AI芯片[14,15]。

1.路線1：CPU主處理器+GPU協處理器

AI 算法均可以通過CPU 實現，但CPU 缺乏并行性，對于AI 算法中需要大量的并行計算方式并不友好。GPU則具備并行的處理能力，也是目前實現AI計算最廣泛的方式。

2.路線2：CPU主處理器+FPGA協處理器

FPGA可設計為非馮·諾依曼架構，使得其在運算單元和存儲單元間的信息交換量大幅降低，因此具有流水線處理和響應迅速的特點。

3.路線3：CPU主處理器+ASIC協處理器

AI算法穩定后，AI芯片可采用ASIC設計方法進行全定制，使性能、功耗和面積等指標面向深度學習算法做到最優。

（1）路線3.1：CPU 主處理器+全數字ASIC AI協處理器。AI 算法中很多的乘累加操作（MAC）可采用“類存算一體”方式進行全數字ASIC設計，具有更高的能效性能。

（2）路線3.2：CPU主處理器+數模混合存算一體AI 協處理器。通用處理架構存在馮·諾依曼瓶頸，即運算與存儲分離，導致大部分的能量消耗在運算單元和存儲單元的通信上。成熟非易失性存儲器件或新興非易失性存儲器件結合交叉陣列架構具有天然的一步實現AI算法中密集的MAC操作的特性，從而具有實現完全“存算一體”新計算范式的能力。

（三）技術路徑與技術方案分析

分析智能機器人系統芯片技術路線，其實就是分析路線中協處理器運行AI 算法的特點和他們的自主程度，智能機器人系統芯片自主可控技術路線分析如下 [16～19]。

1.路線1：CPU主處理器+GPU協處理器

該路線是目前最成熟、最易于實現相對自主可控的方式，短期可通過自研算法實現相對自主可控，長期需自研芯片實現自主可控。但也應該注意存在一定的風險，因為國產CPU沒有自主指令集系統，并不能說是完全的自主可控產品，而景嘉微電子股份有限公司作為唯一的自主GPU生產商，競爭風險過于集中。

CPU 和GPU 都是通用處理器，技術成熟，國外有先發優勢，國內受到嚴重的技術限制，國內外差距大。雖然在該技術路線上很容易被“卡脖子”，但在該技術路線上實現智能機器人芯片自主可控非常有必要：一是反哺增強CPU 和GPU 的自主可控能力；二是結合特定應用實現協同優化提高智能機器人芯片的安全性和智能性。這也是在現階段基礎上最現實的技術路線，針對特定應用場景，依靠自研算法提升性能，有利于AI 算法技術的提升，以“直道追趕+差異化應用”方式突破封鎖。

2.路線2：CPU主處理器+FPGA協處理器

理論上，FPGA可以實現任意ASIC和數字信號處理（DSP）的邏輯功能。而實際應用中，開發人員可通過FPGA的EDA軟件來修改芯片，而不是替換和重新設計芯片。FPGA 的開發流程不涉及掩模和流片等步驟，使得開發周期可以縮減。在當前AI企業級應用中，FPGA占據了主導地位。

FPGA流片成本高昂，實現同樣的AI應用，制作FPGA 芯片的成本可能會超過ASIC 的成本10 倍以上。為適應下游用戶復雜多樣的需求和應用，FPGA 的門電路集成度往往很高，然而具體到某一應用，冗余的門電路會提升FPGA 的功耗。在功耗敏感的領域中，這是非常致命的缺陷。而另一方面，作為AI 算法ASIC 芯片化的前期驗證路線，FPGA具有較短的研究周期和較低的成本。

3.路線3：CPU主處理器+ASIC協處理器

路線3.1 屬于電路級“存算一體”路線，即用數字“類存算一體”方式實現MAC 操作，相對于路線3.2，該路線實現穩定性較高，但并行性和能效比要低。路線3.2 是器件級“存算一體”路線，即采用的固定存儲器（NVM）本身具有存儲和計算功能，這些器件結合Crossbar array 架構在MAC操作上具有天然的優勢，并且單位器件可具有多級狀態，發展潛力巨大。兩種ASIC AI 芯片技術路線具有針對特定應用執行智能機器人邊緣（在機器人領域，這里邊緣指代近感知端）部署的潛力，簡單的任務可以自行處理，提高系統效率。國外AI 芯片尚未形成明顯壓倒性優勢，國內起步不算晚，國外尚未完全形成技術壟斷，有利于在工藝制程技術不占優勢的基礎上實現系統性能的超越。

總體上，在成熟度方面：路線1＞路線2＞路線3.1＞路線3.2（能效比/自主可控）；在潛力方面：路線3.2＞路線3.1＞路線2＞路線1（見表1）。雖然路線3的成熟度相對較低，但也意味著該領域存在著更多的技術自主可控機會，在這些領域也涌現了有代表性的中國公司。建議加大力度布局前沿技術研究，實現“換道超車”。同時，在通用芯片領域受限于摩爾定律放緩，而機器學習規模指數級增長的機遇下，緊抓高端芯片先進工藝制程關鍵、核心技術攻關，由“直道追趕”到“直道趕超”。全面布局，為實現智能機器人系統芯片自主可控打下堅實的基礎。

表1 技術路徑特點與比較分析

六、我國智能機器人核心芯片發展思路、重點任務與戰略目標

（一）基本策略

緊密圍繞解決智能機器人芯片“卡脖子”難題，服務我國科技穩步快速發展的總目標，在分析總結國內外芯片產業發展態勢、發展方向，調研我國在機器人芯片領域所存在的優勢和不足的基礎上，提出以下五個方面的發展思路。

直面困難，自力更生。當前國際形勢風云變幻，國家安全和發展環境復雜多變，未來一個時期又是我國實現中華民族偉大復興的關鍵期，對我國各個領域的科技支撐能力提出了更高的要求。我國智能機器人芯片發展戰略首要就是在當前時代背景和國際環境下，正視我國在芯片領域面臨的“卡脖子”問題。自覺踐行和大力弘揚“兩彈一星”精神、載人航天精神等新時代科學家精神。制定長期發展戰略，做好打持久戰的準備，舉國家之力，打破國外對高端芯片的技術封鎖，實現新時代科技新長征的最終勝利。

頂層設計，戰略布局。智能機器人芯片產業的發展與機器人技術、機器人應用技術、芯片產業、芯片應用產業等諸多行業密切相關，關乎我國國防裝備、工業生產、居民生活等方方面面。需真正從國家的高度對機器人芯片的發展提出綱領性、統攬性的謀劃。不能將該領域的發展寄希望于外來的技術支持，寄希望于設備的進口，而是將其作為國家科技重要支柱性產業來抓。做好從基礎理論研究、關鍵技術突破到產業應用落地的全鏈條總體規劃，注重對國家長期發展的支持。

強調整體，重點突破。機器人芯片產業的發展是涉及面廣、影響力大、關聯性強、制約關系復雜的系統工程，某一環節不足很容易形成木桶效應。發展自主可控的智能機器人芯片需要重視其相關各方面的有機聯系，做到整體推進。同時，系統工程需要重點突破，善于抓“牛鼻子”，找突破點，或“剝繭抽絲”，或“快刀斬亂麻”，方式方法得當，就能起到“四兩撥千金”的作用。

夯實基礎，擴大優勢。近幾十年，我國機器人、芯片等領域的技術及應用更多是規模上“量”的增長，走的是“買來主義”路線，實際的機器人芯片基本技術和工藝，高端芯片的設計研究和應用雖有進步，但跟國外先進水平還有很大差距。要實現關鍵技術自主可控的轉變，需要充分挖掘和發揮我國所具有的集中力量辦大事體制優勢，繼續擴大我國在市場需求、生產加工、人才儲備、基礎設施建設等方面的發展優勢，尤其注重在全球競爭的環境中揚長避短，積極搶占新一輪科技與產業的制高點。

深耕本土，面向世界。我國擁有世界最大的智能機器人芯片既有市場和潛在市場，這成為我國芯片發展的不竭動力。我國芯片產業應該充分立足本國市場，挖掘好本國需求，發揮好本土優勢，從本土市場起步才能最終走向世界。同時我國科技與社會發展對機器人芯片需求迫切，也需要在借鑒歐洲、美國、日本等發達國家和地區經驗的基礎上，充分立足我國國情，處理好產品進口、技術引進與自主研發之間的關系，勇敢探索一條適合我國國情的機器人專用芯片發展道路。

總之，需認真總結提煉我國在機器人芯片發展過程中的經驗和教訓，準確把握世界發展趨勢和新時代國家整體發展需求和方向，立足新時代我國基本國情，充分發揮我國在機器人芯片方面的各種優勢并將之與現階段芯片技術發展的本質規律有機結合，探索出一條具有中國特色的智能機器人芯片發展之路。

（二）重點任務與發展路線圖

我國智能機器人芯片發展要準確把握全球信息技術、機器人技術、人工智能等領域發展賦予的重大機遇，站在機器人產業和芯片產業融合發展全局的角度，充分總結歷史發展經驗教訓，瞄準未來科技發展戰略制高點，以問題為牽引，以需求為導向，圍繞自主可控發展中國智能機器人芯片的總目標，著力布局以下重點任務：①做好中國智能機器人芯片發展的頂層設計。②制定智能機器人芯片的發展路線。③做好智能機器人芯片的產業布局。④構建智能機器人芯片產業協同優化的產業結構。⑤制定釋放市場和人才創新活力的協同創新機制。⑥明確自主可控與國際協作發展的邊界。⑦重點推動智能機器人芯片的應用落地。

我國智能機器人芯片發展就是以實現解決機器人專用芯片“卡脖子”難題、服務中國科技穩步快速發展為總目標，力爭到2035年左右建設成為智能機器人芯片強國，機器人芯片產業自主、可控、完善、協同、高效，對國家經濟社會發展支撐作用顯著增強。我國智能機器人核心芯片發展路線圖如圖1所示，實現總目標可分“三步走”。

圖1 我國智能機器人核心芯片發展路線圖

第一步，到2025年，全國上下自主可控發展機器人芯片的共識強烈，自主創新能力顯著增強，掌握一批關鍵核心技術，優勢領域競爭力進一步增強，尤其在芯片設計、中低端芯片的加工、芯片的產業化融合等領域進步明顯，機器人芯片對機器人產業的提質增效作用逐步凸顯。自主可控智能機器人芯片與發達國家芯片產業跟跑差距不斷縮小。

第二步，到2030年，建成自主創新的機器人芯片研發體系，關鍵核心技術和應用達到世界領先水平，全產業鏈實現安全可控，在全球價值鏈中的地位明顯提升，新型機器人芯片產業生態基本形成，低中高全覆蓋的芯片設計、加工、制造、應用完整產業集群涌現，機器人芯片對機器人產業、國家經濟和社會發展的支撐作用持續增強。自主可控智能機器人芯片與發達國家芯片產業并跑態勢基本達成。

第三步，到2035年，形成創新引領優勢，建成全球領先的機器人芯片體系，新型機器人芯片產業生態逐步完善，芯片技術、機器人技術與各個領域全面實現協調發展，芯片對經濟和社會發展的支撐作用大幅提升。自主可控智能機器人芯片實現全球領跑。

七、對策建議

（一）將智能機器人芯片自主可控上升為國家戰略

建議制定“智能機器人芯片自主可控發展戰略”，明確智能機器人芯片的自主可控發展在國家總體戰略規劃中的突出地位。成立智能機器人芯片發展領導小組，負責對機器人產業和芯片產業發展的統一規劃和統籌實施。組織涵蓋科技、經濟、能源、環境、交通、通信、城市規劃等不同領域的頂級專家成立智能機器人芯片自主可控發展專家咨詢委員會，為智能機器人芯片發展提供決策支撐，統籌推進機器人技術及產業、芯片技術及產業的協同發展，圍繞體制機制改革、特色市場環境搭建、自主創新體系建設、智能機器人產業生態、專用智能芯片產業和集群等重點任務，制定目標清晰、方向明確、措施得力的頂層設計。

（二）設立智能機器人芯片重大科技專項

面向各大應用領域對機器人及機器人芯片的重大迫切需求，抓住機器人與芯片不斷深入融合發展的重大變革機遇，設立智能機器人芯片重大科技專項，實現智能機器人芯片領域核心和關鍵技術全面自主可控。智能機器人芯片重大科技專項要以戰略性、全局性、前瞻性、關鍵性技術需求為牽引，發揮國家實驗室、國家工程研究中心等平臺優勢，重點圍繞芯片基礎科學及工藝的芯片設計、芯片制造、芯片封測技術，圍繞智能感知、認知、交互、規劃、控制、協同的機器人技術，圍繞算法芯片融合的模型壓縮、算法融合、新型架構設計技術，以及圍繞工業機器人、服務機器人、自主無人系統、特種機器人、智慧交通系統的智能機器人芯片應用技術等為重點，為智能機器人芯片做好技術儲備，促進我國機器人領域在核心理論和關鍵技術方面全面趕超世界先進水平。智能機器人芯片重大科技專項資金來源可從應用市場獲取，主要依托機器人應用的相關產業產生的稅收紅利，在確保一定政府資金投入的基礎上，形成多元化的投入機制。

（三）出臺激勵智能機器人芯片技術研究和產業應用政策

國務院印發的《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》（2020 年）[20]強調，集成電路產業和軟件產業是信息產業的核心，是引領新一輪科技革命和產業變革的關鍵力量。隨后，我國集成電路產業和軟件產業快速發展，有力支撐了國家信息化建設，促進了國民經濟和社會持續健康發展。建議在此框架內，突出“自主可控”的總體指導思想，重點強調基礎研究與應用研究并重發展，出臺面向智能機器人領域的芯片產業發展詳細落地政策，在財稅、投融資、研究開發、進出口、人才、知識產權、市場應用、國際合作等方面繼續明確在機器人專用芯片領域的專項措施。由智能機器人芯片發展領導小組推進各部門、各地方盡快制定具體配套政策，加快政策落地，確保取得實效，推動我國智能機器人芯片領域實現高質量發展。

（四）落實智能機器人芯片人才培養發展措施

支撐和決定智能機器人芯片產業發展的關鍵在于人才。建議我國出臺政策措施，重點推進“政產學研”多方協同的研發機制，不斷加強芯片產業人才的培養力度、提升產業研發能力、縮小產業的技能缺口。首先，推動深層次產學研合作，促進產業人才培養。重視和加快機器人、半導體、集成電路相關學科的人才培養開發，鼓勵各類研發機構、高校、科研院所與高新區企業、基地載體等各類組織開展多種形式的高層次、緊缺和骨干專業技術人才培養合作。另外，完善人才評價和激勵機制，完善鼓勵創新創造的分配激勵機制，形成有效的正向激勵，使人才能夠充分發揮創新潛能。全面調動人才的積極性，發揮創新潛能與活力。再者，積極引進高端人才，完善人才集聚機制，加大對全球芯片產業高端人才的吸引力度，根據產業發展需求開展人才與企業、人才與項目對接活動，拓展全球技術研發、制造等理工科類人才流入國內芯片行業的渠道。最后，構建專業化人才服務體系，為芯片產業高層次人才的科技研發、成果轉化、市場拓展等提供深層次增值服務，支持打造適合人才長期發展的良好生態，聚集人才并留住人才。