對視覺、雷達(dá)和激光雷達(dá)傳感器的需求正在增加，這些傳感器能夠使汽車具有輔助和自主駕駛能力，但是汽車制造商現(xiàn)在正在向供應(yīng)商提出一些新的和苛刻的要求。

汽車市場一直是供應(yīng)商的難題。OEM希望更小、更快、更便宜的設(shè)備與先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）和自主駕駛技術(shù)具有相同的或改進(jìn)的安全水平。一般來說，ADAS涉及汽車的各種安全特性，如自動緊急制動、車道檢測和后方目標(biāo)警告。雷達(dá)是一種用于車輛盲點(diǎn)檢測和其他安全特征的目標(biāo)檢測技術(shù)，是一個很好的例子。“隨著時(shí)間的推移，雷達(dá)模塊已經(jīng)大大縮小了。NXP的產(chǎn)品線經(jīng)理Thomas Wilson說，熱需求越來越難。“所以，性能要求正在上升。尺寸正在下降。而且成本要求也越來越高。今天在汽車中使用的雷達(dá)模塊是笨拙的系統(tǒng)，包括基于不同過程的多個芯片。但是為了減小尺寸和成本，英飛凌、NXP、Renesas和TI正在向集成雷達(dá)芯片組發(fā)展，這些芯片組合在同一設(shè)備上的各種組件。

雷達(dá)芯片組是針對某些應(yīng)用，但它們指向一種新興的趨勢。IC制造商正在使用45nm和28nm的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝集成雷達(dá)設(shè)備，而不是為各種芯片使用不同的工藝。其他工藝選擇包括22nm散裝和FD-SOI。

另一項(xiàng)技術(shù)，LiDAR，正在從龐大的系統(tǒng)向具有更集成組件的小型固態(tài)單元轉(zhuǎn)移，以努力降低該技術(shù)的高成本。激光雷達(dá)（光成像、探測和測距）使用脈沖激光來測量距離。

還有其他動力在起作用。例如，該行業(yè)正在開發(fā)具有更高分辨率的下一代雷達(dá)，此舉旨在取代激光雷達(dá)。但是激光雷達(dá)技術(shù)并不是靜止不動的。

事實(shí)證明，沒有一種技術(shù)覆蓋所有的ADA/Autual需求。今天，一些車輛采用先進(jìn)的視覺系統(tǒng)和雷達(dá)。隨著時(shí)間的推移，它們也可能包括激光雷達(dá)，這意味著各種技術(shù)將共存。

每種技術(shù)都有其利弊。“激光雷達(dá)是一種比雷達(dá)更昂貴的系統(tǒng)，但它更準(zhǔn)確地識別物體。LiDAR在諸如雪、雨和霧等惡劣天氣條件下有其局限性。雖然雷達(dá)似乎不受天氣條件的影響，但它不能像激光雷達(dá)那樣精確地確定物體的大小和形狀。

為了幫助OEM公司走在曲線的前面，半導(dǎo)體工程公司已經(jīng)研究了先進(jìn)的視覺、雷達(dá)和激光雷達(dá)的發(fā)展趨勢，以及供應(yīng)商試圖降低成本的方法。

更安全的汽車

汽車制造商正在接受這些安全導(dǎo)向的技術(shù)，這是有充分理由的。根據(jù)美國國家公路交通安全管理局(U.S.National Highway Traffic Safety.)的統(tǒng)計(jì)，94%的嚴(yán)重碰撞是由于駕駛員失誤造成的。
因此，多年來，汽車行業(yè)在車輛中引入了更多的安全特性。

為此，根據(jù)NXP的威爾遜（Wilson）的說法，汽車業(yè)正沿著兩條平行的路徑——新車評估計(jì)劃（NCAP）和自主技術(shù)。為此，根據(jù)NXP的威爾遜（Wilson）的說法，汽車業(yè)正沿著兩條平行的路徑——新車評估計(jì)劃（NCAP）和自主技術(shù)。多年來，亞洲、歐洲和美國都推出了NCAP的指導(dǎo)方針。在這個程序中，汽車被測試并根據(jù)車輛的安全性給出星級評級。五星級是最高水平，一星級是最低。

“五星評級對汽車銷售產(chǎn)生了巨大影響。由于保險(xiǎn)費(fèi)較低，更多的消費(fèi)者被激勵購買五星級汽車。Wilson說，他們也更安全。每個洲都有自己的NCAP標(biāo)準(zhǔn)。但簡單來說，根據(jù)NXP，基本NCAP標(biāo)準(zhǔn)涉及若干ADAS技術(shù)，例如自適應(yīng)巡航控制、自動緊急制動、交叉口輔助、車道保持輔助等。


圖1：NCAP標(biāo)準(zhǔn)的五星級評級。

在自適應(yīng)巡航控制中，汽車自動調(diào)節(jié)其在交通中的速度。自動緊急制動是指車輛在感知到碰撞時(shí)自動制動的情況。在車道保持輔助中，汽車將自動防止駕駛員進(jìn)行不安全的車道變換。然后，在連接輔助中，駕駛員想要進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。如果不安全，汽車就會自動剎車。

NCAP路線圖為汽車中需要更多傳感器提供了動力。“例如，自動緊急制動將利用相機(jī)和雷達(dá)，”馬克格蘭杰說，目前在全球鑄造公司的汽車。“這項(xiàng)技術(shù)正開始從超豪華轉(zhuǎn)向中層車型。”除此之外，汽車制造商還遵循一條涉及自主駕駛技術(shù)的平行路徑，這一舉措正在推動對相機(jī)、激光雷達(dá)和雷達(dá)的需求。然而，全自動駕駛技術(shù)可能無法在十年或更長時(shí)間內(nèi)達(dá)到主流。


圖2：自主驅(qū)動架構(gòu)。

ADAS和自主技術(shù)只是等式的一部分。他們必須無縫地工作，并且在汽車的其他系統(tǒng)中不失靈。UMC市場營銷副總裁史蒂文·劉說：“這項(xiàng)技術(shù)歸結(jié)為兩個基本組成部分：1）車輛與互聯(lián)網(wǎng)的連接，2）車輛感知周圍環(huán)境并與周圍環(huán)境互動的能力。”

“例如，車輛對車輛（V2V）和車輛對基礎(chǔ)設(shè)施（V2X）的不斷采用意味著車輛雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)量持續(xù)增加，”劉說。“這些系統(tǒng)所需的技術(shù)包括汽車的防撞雷達(dá)和全球定位系統(tǒng)，以及與紅綠燈和車輛調(diào)度員互動所需的傳感器。這些系統(tǒng)將與現(xiàn)有的系統(tǒng)一起工作，例如乘客舒適度和信息娛樂控制，以及調(diào)節(jié)溫度、輪胎壓力和氣體的發(fā)動機(jī)監(jiān)測子系統(tǒng)。”

還有另一個關(guān)鍵方面的安全性。KLA-Tencor市場部高級主管羅伯特·卡佩爾（Robert Cappel）說：“許多半導(dǎo)體現(xiàn)在是ADAS的一部分，這對于汽車的功能和安全至關(guān)重要，因?yàn)槠嚥荒苋萑坦收稀?rdquo;“對自主駕駛特征的快速推動，以及最終的自主駕駛，進(jìn)一步推動了對所有半導(dǎo)體芯片的完美合作，以保護(hù)汽車乘客和其他人在周圍環(huán)境的安全的需要。”這是當(dāng)今工業(yè)界對十億分之一零缺陷需求的最大驅(qū)動力。

不僅僅是視覺

與此同時(shí)，汽車制造商正在采取各種方法來實(shí)現(xiàn)ADAS。例如，特斯拉的車輛包括八個攝像頭，十二個超聲波傳感器和雷達(dá)。超聲波傳感器通過聲波測量物體的距離。特斯拉目前不使用激光雷達(dá)，因?yàn)榧夹g(shù)太昂貴。相比之下，其他的可能包括攝像機(jī)、雷達(dá)和激光雷達(dá)。在任何一種情況下，高級視覺是方程的關(guān)鍵部分。CMOS圖像傳感器業(yè)務(wù)聯(lián)盟高級副總裁兼總經(jīng)理Avi Strum說：“近年來，基于攝像機(jī)的傳感器已經(jīng)開始執(zhí)行范圍廣泛的任務(wù)，如路標(biāo)檢測、車道偏離警告、光束控制、停車輔助甚至司機(jī)監(jiān)控。”

但是照相機(jī)不能提供所有的安全功能。“的確，像Mobileye這樣的公司相信基于攝像頭的傳感器可以提供完整的ADAS解決方案，”Strum說。盡管基于相機(jī)的傳感器在明亮或中等光照條件下提供優(yōu)異的環(huán)境橫向分辨率，但在更惡劣的條件下，例如在黑暗、雨、霧或雪中，它們的性能迅速惡化。

這意味著，攝像機(jī)傳感器必須改進(jìn)，即在動態(tài)范圍和近紅外靈敏度的領(lǐng)域，他補(bǔ)充說。

雷達(dá)造波

雷達(dá)也是ADAS混合的一部分。簡單地說，雷達(dá)發(fā)射毫米波范圍內(nèi)的電磁波。波信號從物體上反彈，然后反射回來。然后，雷達(dá)系統(tǒng)捕獲信號來辨別目標(biāo)的范圍、速度和角度。在一些汽車中，原始設(shè)備制造商使用短距離和遠(yuǎn)程雷達(dá)。自適應(yīng)巡航控制和自動緊急制動使用遠(yuǎn)程雷達(dá)（LRR）。對于LRR，雷達(dá)模塊位于保險(xiǎn)杠后的汽車的前部中心。


圖3：自主汽車的雷達(dá)

正面LRR工作在77 GHz的毫米波頻率，范圍為160～200米。通常，前向雷達(dá)模塊包括幾個不同的組件，例如微控制器（MCU）和RF收發(fā)器。在操作中，收發(fā)器通過鏈路將雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)送到MCU。

MCU，它處理，是基于CMOS，遷移從55納米或40nm到28納米及以上。同時(shí)，獨(dú)立收發(fā)器通常基于一種稱為硅鍺(SiGe)的不同的高性能RF工藝。有些使用BiCMOS。這兩種技術(shù)都是比較成熟的節(jié)點(diǎn)。

面向前方的LRR將保持在77 GHz，但技術(shù)正在開始改變。例如，作為最近推出的產(chǎn)品的一部分，德克薩斯儀器公司引入了一種將MCU和收發(fā)器結(jié)合在同一設(shè)備上的單片機(jī)雷達(dá)產(chǎn)品。雷達(dá)芯片組是基于一個45納米RF CMOS工藝，使得能夠集成不同的組件。

TI公司的產(chǎn)品經(jīng)理Kishore Ramaiah說：“單芯片雷達(dá)傳感器解決方案比雙芯片解決方案有許多優(yōu)點(diǎn)。”因?yàn)樗荝F CMOS解決方案，所以它的特點(diǎn)是低功耗和高集成度，這反過來意味著更小的尺寸和優(yōu)化的BOM。

然而，面向前方的基于LRR的雷達(dá)很可能會堅(jiān)持離散的解決方案，至少目前如此。NXP的Wilson說：“這些LRR模塊的設(shè)計(jì)有很多變化，這使我認(rèn)為MCU和收發(fā)器將在一段時(shí)間內(nèi)是離散的。”隨著時(shí)間的推移，隨著射頻CMOS技術(shù)的進(jìn)步并能夠支持LRR的RF性能要求，那么它將變得與SiGe更具競爭力。我希望他們能共存一段時(shí)間。”

真正的設(shè)計(jì)行動是在短程雷達(dá)（SRR）模塊中進(jìn)行，該模塊目前工作在24GHz，距離從60米到70米。SRR模塊位于汽車后角，用于車道檢測、車道保持及相關(guān)功能。同時(shí)，連接輔助也使用SRR，其中模塊位于左前保險(xiǎn)杠中。隨著車輛向更先進(jìn)的ADAS功能移動，SRR雷達(dá)從24 GHz發(fā)展到更高性能的79 GHz頻段。79 GHz規(guī)格用于避免在前面77 GHz的干擾。
后角雷達(dá)模塊也正在從離散到芯片組的解決方案。在收發(fā)信機(jī)與MCU的集成中，RF CMOS具有市場利益。這對于遠(yuǎn)距離前向雷達(dá)來說并不重要，但對于角雷達(dá)來說更重要，因?yàn)榻抢走_(dá)需要更小并且成本更敏感。

對于這個模塊，OEM有幾種選擇。如上所述，TI提供了使用45納米RF CMOS的芯片組。然后，在另一種方法中，ADI和瑞薩正在使用一個28納米RF CMOS工藝開發(fā)一個77/79 GHz雷達(dá)設(shè)備。同時(shí)，在另一種選擇中，GlobalFoundries正在提供22nmFD-SOI，一種在基板中結(jié)合薄絕緣層以抑制泄漏的技術(shù)。

像塊CMOS一樣，F(xiàn)D-SOI使芯片制造商能夠集成各種組件，包括雷達(dá)芯片。FD-SOI也解決了另一個問題。“一個雷達(dá)單元的功耗已經(jīng)相當(dāng)高了。如果你引進(jìn)更多的雷達(dá)設(shè)備，熱問題就會成為一個大問題。“大容量CMOS無法解決這個問題。用FD-SOI，你可以把每雷達(dá)的能量消耗降低到1瓦以下。

當(dāng)然，傳統(tǒng)的選擇是使用獨(dú)立的基于SiGe的收發(fā)器。“基于SiGe的短程和遠(yuǎn)程雷達(dá)滿足了汽車?yán)走_(dá)的要求，”TowerJazz戰(zhàn)略營銷高級主管AmolKalbure說。使用SiGe最重要的參數(shù)是將發(fā)射機(jī)側(cè)的功率放大器和接收側(cè)的低噪聲放大器完全集成在同一芯片上，從而獲得最佳性能和更低的成本。

如前所述，雷達(dá)有一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。雷達(dá)在高分辨率探測物體上是很好的。但是雷達(dá)分辨不出那個物體。例如，它不能辨別物體是人還是狗。雷達(dá)需要相機(jī)，這有助于了解周圍環(huán)境。因此，需要快速的圖形處理和深度學(xué)習(xí)。

“例如，雷達(dá)在惡劣的天氣條件（雨、霧、雪）下要優(yōu)越得多，而激光雷達(dá)則允許對環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的3D掃描，以檢測和分類靜止的和移動的物體，”Kalbure說。“雷達(dá)傳感器相當(dāng)緊湊和成本效益，所以它們已經(jīng)被大多數(shù)OEM公司積極采用。當(dāng)今的汽車?yán)走_(dá)解決方案的分辨率有時(shí)不能滿足完全自主的應(yīng)用，但是正在開發(fā)新的硬件和軟件解決方案來提高分辨率。”

事實(shí)上，該行業(yè)正在研究下一代雷達(dá)。一個目標(biāo)是關(guān)閉激光雷達(dá)分辨率差距，甚至取代激光雷達(dá)。“未來，你將看到LiDAR和雷達(dá)之間的比賽，”GualalgDrices公司的Granger說。在研發(fā)中，IMEC正在開發(fā)140 GHz雷達(dá)技術(shù)。其他人正在研究成像雷達(dá)。美國國家儀器公司技術(shù)營銷專家Marcus Monroe說：“雷達(dá)正在不斷改進(jìn)。”新的天線設(shè)計(jì)和先進(jìn)的處理算法賦予了雷達(dá)新的能力，使其能夠用于以前沒有使用的領(lǐng)域，如行人檢測。

那么什么是成像雷達(dá)？成像雷達(dá)是雷達(dá)的一種應(yīng)用，通過快速產(chǎn)生雷達(dá)脈沖，利用雷達(dá)的反射能量產(chǎn)生2D或3D圖像。這已經(jīng)在航空航天工業(yè)中應(yīng)用多年，例如陸地測繪和天氣。它還沒有被用于汽車?yán)走_(dá)，可能是由于電力和加工的限制，“夢露說。


圖4：高分辨率雷達(dá)與激光雷達(dá)。

LiDAR是什么？

激光雷達(dá)繼續(xù)取得進(jìn)展。門羅說：“LiDAR也在降低成本，向固態(tài)和新的連續(xù)波形方向發(fā)展。”激光雷達(dá)與自主駕駛相關(guān)，但并不局限于這些應(yīng)用。LiDAR供應(yīng)商Velodyne的首席技術(shù)官Anand Gopalan說：“你們發(fā)現(xiàn)LiDAR與照相機(jī)和雷達(dá)一起應(yīng)用于ADAS車輛。”

這項(xiàng)技術(shù)與雷達(dá)不同。Gopalan說：“在激光雷達(dá)中，你發(fā)射一系列光脈沖并測量返回飛行時(shí)間。”“你正在創(chuàng)造三維、高分辨率的世界地圖。”激光雷達(dá)有各種各樣的技術(shù)挑戰(zhàn)。它還昂貴的幾個移動部件，但這開始改變。一般來說，相機(jī)售價(jià)為30美元，而LiDAR則是3000美元。但根據(jù)Yole的說法，一些激光雷達(dá)系統(tǒng)正朝著300美元的價(jià)格點(diǎn)移動。

根據(jù)Frost和沙利文的說法，有三種方法適用于激光雷達(dá)機(jī)械、MEMS和混合固態(tài)。機(jī)械激光雷達(dá)在高端工業(yè)市場中使用，而MEMS為基礎(chǔ)的解決方案正在出現(xiàn)。然后，大量的公司正在研發(fā)更小更緊湊的固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)。固態(tài)LiDAR很少，如果有的話，運(yùn)動部件。

激光雷達(dá)利用了幾個關(guān)鍵部件，即激光二極管、光電探測器和處理元件。使用激光二極管，以905nm波長的激光形式發(fā)射光脈沖。根據(jù)Frost和沙利文的說法，激光激發(fā)了一百萬個光子，但問題是只有一個光子返回系統(tǒng)。

因此，激光雷達(dá)制造商將一些激光器，有時(shí)高達(dá)64，以增加光子的數(shù)量。根據(jù)該公司的說法，發(fā)送十億光子的激光器會產(chǎn)生1000個返回光子。一旦光子發(fā)射出來，它們就從物體上反彈回來。然后，光電探測器在窄或360度視場的系統(tǒng)中檢測并捕獲返回信號。日照和天氣條件會影響探測器的信噪比。之后，計(jì)算給定物體的距離。然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。“你有復(fù)雜的信號處理，它發(fā)生在一個更密集的處理元件，如FPGA或處理器，”。

隨著時(shí)間的推移，我們的目標(biāo)是整合更多的功能來降低成本。“我們正在使用我們自己的ASIC技術(shù)將大量的功能組合成一組ASIC。Gopalan說，這允許更緊密的整合，更小的形式因素，也可以降低成本。“我們認(rèn)為，在不久的將來，你不會有一片硅，上面有整個激光雷達(dá)，但它會非常接近。”你會看到一個高度集成的多芯片模塊，它將有一個全功能的激光雷達(dá)。
其他組件也朝著更多的集成在激光雷達(dá)，如激光二極管驅(qū)動器。這部分提供激光二極管的電流。

例如，Velodyne使用基于高效功率轉(zhuǎn)換(EPC)的氮化鎵(GaN)技術(shù)的激光二極管驅(qū)動芯片。根據(jù)EPC的首席執(zhí)行官Alex Lidow所說，GaN的開關(guān)速度比硅快100倍。氮化鎵用于發(fā)電、激光發(fā)射和控制。Lidow說：“由于GaN的快速開關(guān)速度、高電壓和高電流能力，激光發(fā)送的光子包可以縮短，每個脈沖中都裝有更多的光子。”“因此，激光雷達(dá)系統(tǒng)可以進(jìn)一步看到，并具有更大的分辨率，同時(shí)創(chuàng)造一個更快的位圖周圍的環(huán)境。”他說，驅(qū)動激光二極管的方法有很多，但是主要有兩種——電容放電（CD）和FET控制。GaN基激光二極管驅(qū)動器占激光雷達(dá)系統(tǒng)總成本的5%以下。“GaN晶體管已經(jīng)被降低系統(tǒng)成本和提高性能的GaN集成電路所取代，”他說。“隨著系統(tǒng)成本的下降，GaN的成本將下降。

在Episil的鑄造基礎(chǔ)上制造，EPC的GaN基激光二極管驅(qū)動器基于350nm工藝。隨著時(shí)間的推移，它計(jì)劃遷移到130nm。另一個關(guān)鍵部件是光電二極管，一種將光轉(zhuǎn)換成電流的半導(dǎo)體器件。對于LiDAR，主要有四種光電二極管類型：pin光電二極管、雪崩光電二極管（APD）、單光子雪崩二極管（SPAD）和硅光電倍增管（SiPM）。

“探測器技術(shù)的選擇可能取決于波長的選擇，”Gopalan說。“在905nm區(qū)域，硅APD在增益和提供最佳信噪比的能力方面仍然是最可靠和經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)。SiPMs繼續(xù)顯示出承諾，但其在激光雷達(dá)系統(tǒng)水平上的SNR優(yōu)勢仍有待證實(shí)。

那么，這一切將如何在未來上演呢？攝像機(jī)、激光雷達(dá)和雷達(dá)很可能共存。他說：“我們認(rèn)為你不會看到任何一種情況。”“雷達(dá)有繼續(xù)補(bǔ)充和增強(qiáng)激光雷達(dá)提供信息的空間。你會繼續(xù)將相機(jī)視為第三種傳感器模式。