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來源: 愛集微 2022年，激光雷達(dá)“井噴式”上車，且國內(nèi)廠商在這一賽道“搶跑”成功，但一時(shí)領(lǐng)先并不意味著一定能率先沖線。 硬科技早期投資機(jī)構(gòu)中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊表示：“中國在制造業(yè)上有很好的基礎(chǔ)，且在人工成本上有顯著優(yōu)勢。國內(nèi)的激光雷達(dá)供應(yīng)商抓住機(jī)會(huì)快速崛起，搶占了一定的先機(jī)。而進(jìn)入到純固態(tài)激光雷達(dá)的階段，或許國內(nèi)外供應(yīng)商將在技術(shù)上展開更深入的較量。” 現(xiàn)階段，車載激光雷達(dá)多種技術(shù)“百花齊放”，密集上車的半固態(tài)方案只被視為是“過渡方案”，至于終極方案上，固態(tài)激光雷達(dá)是“眾望所歸”，且業(yè)界正在探索“深度集成化芯片架構(gòu)”這一條振奮人心的路，一如在感知層面已發(fā)展多年的攝像頭、毫米波雷達(dá)等傳感器最終都以純芯片的方案前裝上車，他們相信激光雷達(dá)也會(huì)遵循這個(gè)第一性原理，當(dāng)然這也是更符合“車規(guī)+量產(chǎn)+成本+安全”的路徑。 固態(tài)測距有限？從探測層面突破是“正解” 可以說，固態(tài)激光雷達(dá)的“未來已來”。去年，禾賽、速騰、亮道等相繼發(fā)布純固態(tài)補(bǔ)盲激光雷達(dá)新品或新進(jìn)展，且預(yù)計(jì)最早2023年下半年就能進(jìn)入量產(chǎn)。 與大陸集團(tuán)以及Ibeo量產(chǎn)的固態(tài)方案類似，禾賽、速騰、亮道的固態(tài)補(bǔ)盲方案也幾乎沿用Flash純固態(tài)VCSEL+SPAD架構(gòu)，且能借助成熟的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝快速實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)，持續(xù)降本，另外集成度高，尺寸小，可與車身融為一體，提升整車的美觀性。 但美中不足的是，探測距離十分有限，在30m左右，因此現(xiàn)主要用于側(cè)向補(bǔ)盲雷達(dá)。未來，固態(tài)激光雷達(dá)要作為前向雷達(dá)，測距瓶頸還有待突破。 追根溯源，飛芯電子CEO雷述宇認(rèn)為探測不夠遠(yuǎn)有兩大根本的原因。 一方面，傳統(tǒng)Flash方式脫胎于CMOS傳感器，但CMOS傳感器跟激光雷達(dá)有本質(zhì)的區(qū)別：CMOS傳感器不在乎接收的光源，只希望接收的光越多越好，靈敏度就會(huì)越高；但激光雷達(dá)有一個(gè)強(qiáng)烈的訴求，想要接收的是自身發(fā)射打到物體反射回來的光，而事實(shí)上，傳統(tǒng)Flash方式?jīng)]有信號(hào)區(qū)分的能力，所有的光都要接收，但在物體比較遠(yuǎn)的情況下，有效功率在總功率中占比極低，傳感器就會(huì)被“非我”信號(hào)占用，顯而易見靈敏度會(huì)大大受限，并影響到測量距離的能力。 另一方面，F(xiàn)lash是一個(gè)成像的方案，由于成像要同時(shí)測近和測遠(yuǎn)，而激光雷達(dá)自身發(fā)光的信號(hào)與距離平方成反比，如果傳感器沒有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍，近端物體飽和了，從遠(yuǎn)端物體收來的能量卻還不足以讀出電路噪聲，也會(huì)限制激光雷達(dá)測遠(yuǎn)的能力。 這也反映出，現(xiàn)有固態(tài)激光雷達(dá)測距有限的根源在Flash掃描方式的原理中。因此，雷述宇指出，必須要進(jìn)行原理性的突破，換一個(gè)方向切入，即從探測機(jī)理層面去解決測距不夠遠(yuǎn)的問題，實(shí)現(xiàn)接收陣列芯片盡可能在多個(gè)干擾光中接收到其所需要的光，而非接收所有的光，并形成有效探測。 同樣堅(jiān)定看好從探測方面尋找出路的還有洛微科技。“早前，業(yè)界有幾家企業(yè)在做全固態(tài)激光雷達(dá)掃描方案，在技術(shù)研發(fā)、降本、量產(chǎn)等方面確實(shí)走在了最前沿。但也碰到不同的問題，包括產(chǎn)業(yè)鏈不完善、技術(shù)過早、測距有限等，經(jīng)過這幾年的發(fā)展，業(yè)內(nèi)逐漸意識(shí)到，第一步真正需要解決的并不是掃描的問題，而是探測的問題。”洛微科技CEO馮寧寧告訴集微網(wǎng)。 那么，從探測入手，固態(tài)純芯片方案之路又該如何走呢？ 路線尚無定論？Flash與OPA，ToF與FMCW各有選擇 從探測機(jī)理深入解決問題或是正解，但具體到采用何種探測方式也還沒有統(tǒng)一路線。 在固態(tài)技術(shù)的大方向下，F(xiàn)lash和OPA的掃描方式各有利弊。全固態(tài)Flash系統(tǒng)發(fā)射面陣光，一次性成像、系統(tǒng)簡潔、可靠性更高，更易達(dá)到車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，但如上文提及其很難區(qū)分其他激光雷達(dá)的信號(hào)。OPA是能實(shí)現(xiàn)一種無任何機(jī)械（含MEMS）元件的光束掃描，優(yōu)點(diǎn)是掃描速度快、易于控制視場角，但其在芯片材料、光源選擇、制造工藝等方面也存在難點(diǎn)。 而ToF和FMCW的測距方式也各有優(yōu)劣。 目前，市面上的固態(tài)激光雷達(dá)多數(shù)采用ToF（飛行時(shí)間）方式測距。ToF的技術(shù)發(fā)展多年、比較成熟，且對(duì)應(yīng)激光器以905nm為主，近外紅激光器體系，采用GaAs材料，產(chǎn)業(yè)十分成熟，成本已經(jīng)很低，但容易受到激光信號(hào)干擾，且接近可見光光譜，人眼的視網(wǎng)膜對(duì)其更敏感，考慮到人眼安全，其最大激光功率受到限制，當(dāng)然探測距離存在瓶頸。 FMCW則是通過發(fā)射頻率調(diào)制的連續(xù)波，并接收目標(biāo)物反射信號(hào)的方式，對(duì)于目標(biāo)物體進(jìn)行距離探測，這個(gè)過程會(huì)用到多普勒效應(yīng)，進(jìn)而還可以直接測量目標(biāo)物的精確速度。在車載應(yīng)用方面，為了滿足其對(duì)點(diǎn)頻和距離的需求，必須使用多通道的解決方案，系統(tǒng)由此變得非常復(fù)雜。此外，與FMCW搭配的通常是基于1550nm波段的激光器，可以把光功率做得很高，探測距離自然更遠(yuǎn)，但1550nm激光器使用的材料不是硅基，而是化合物半導(dǎo)體材料InGaAs，還需要外部電源和復(fù)雜的電子控制裝置，成本方面具有非常大的挑戰(zhàn)。 目前車載激光雷達(dá)尚處于發(fā)展初期，固態(tài)里選哪個(gè)方案尚無定論，如何選擇還是取決于公司對(duì)市場的理解，以及自身的技術(shù)積淀。 雷述宇曾在紅外探測器芯片領(lǐng)域深耕超過10年，在充分考慮生產(chǎn)端的成熟度、市場需求，以及技術(shù)可行性后確定走Flash+ ToF的技術(shù)路線。而這一技術(shù)路線上車最難解決的問題上文也有所提及，即如何解決雷達(dá)間的強(qiáng)干擾問題。 雷述宇指出：“現(xiàn)在布局全固態(tài)激光雷達(dá)的企業(yè)不少，但關(guān)鍵在于原理性沒有突破，只相當(dāng)于對(duì)傳統(tǒng)的CMOS傳感器做了一些改進(jìn)而形成ToF，但這不能滿足車載Flash的要求。因此，我們要設(shè)計(jì)具有強(qiáng)抗干擾能力的Flash方式的芯片，這充分考驗(yàn)一個(gè)團(tuán)隊(duì)的積累和設(shè)計(jì)能力，因?yàn)樗鼪]有借鑒，不像其他芯片有國際方案作為參考。” 如今，飛芯電子團(tuán)隊(duì)在探測機(jī)理層面解決了傳統(tǒng)全固態(tài)Flash的抗干擾難及測距短等問題：用獨(dú)有專利實(shí)現(xiàn)了一種基于偽隨機(jī)序列的Flash體制長距離、抗干擾激光雷達(dá)技術(shù)。且雷述宇認(rèn)為越簡潔的系統(tǒng)才能越可靠，飛芯的類攝像頭的激光雷達(dá)，不需掃描，系統(tǒng)只用5個(gè)組件，即3個(gè)電學(xué)芯片：發(fā)射端的激光驅(qū)動(dòng)芯片、激光器芯片、接收探測陣列芯片，2個(gè)光學(xué)組件：收、發(fā)兩套光學(xué)組件。目前，飛芯電子的車載產(chǎn)品已進(jìn)入客戶試樣階段。 洛微科技團(tuán)隊(duì)則因具備15年以上的硅光芯片研發(fā)和產(chǎn)品化經(jīng)驗(yàn)，以及全棧的光電產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)積累，因此選擇了OPA+FMCW技術(shù)。但如上所言，該方案落地難度不小。洛微科技另辟蹊徑，從擅長的硅光平臺(tái)入手來解決成本、可制造性和可靠性等問題。 馮寧寧表示：“對(duì)于激光雷達(dá)這樣一個(gè)光電系統(tǒng)來說，芯片是最大成本，所以需要一定的‘第一性原理思考’，開始就要全盤考慮芯片的材料、工藝和尺寸。因此，我們選擇采用硅光技術(shù)，使用生態(tài)成熟的硅基材料和CMOS工藝體系。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)也應(yīng)越簡單越好，而系統(tǒng)的簡化需要芯片的集成度越高越好，而對(duì)于光電系統(tǒng)，只有硅光的平臺(tái)可以提供如此高和復(fù)雜的集成度，這就是我們方案選擇的基本邏輯。”今年，洛微科技的硅光FMCW 4D激光雷達(dá) F系列也將正式給客戶送樣。 難被“卡脖子”？產(chǎn)業(yè)鏈成熟下技術(shù)迭代是關(guān)鍵 備受業(yè)內(nèi)關(guān)注的是，這一固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈中是否有“卡脖子”的環(huán)節(jié)？ 可以看出，在純固態(tài)方案上，飛芯電子和洛微科技都選擇采用類攝像頭的成熟產(chǎn)業(yè)鏈，供應(yīng)鏈方面的困難可以減小。 在雷述宇看來，目前國內(nèi)上游的代工廠商及下游的光電模組廠商都十分成熟和完備，唯一備受考驗(yàn)和挑戰(zhàn)的就是芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。 馮寧寧也指出，洛微的產(chǎn)品方案很多設(shè)計(jì)比較接近攝像頭，國內(nèi)能提供車規(guī)級(jí)的攝像頭模組的代工廠相對(duì)比較成熟，可以保證產(chǎn)品快速進(jìn)入量產(chǎn)。 “洛微的激光雷達(dá)產(chǎn)品中跟光相關(guān)的芯片不論是掃描還是測距的FMCW芯片都是自己設(shè)計(jì)，目前使用的CMOS工藝比較成熟，會(huì)暫時(shí)選擇海外的代工廠，短期利用成熟的供應(yīng)鏈來進(jìn)行量產(chǎn)，長期來看也會(huì)考慮自主產(chǎn)線。”馮寧寧說。 當(dāng)然，技術(shù)要真的實(shí)現(xiàn)大規(guī)模上車也不乏挑戰(zhàn)。雷述宇認(rèn)為，技術(shù)端未來如何獲得更好的抗干擾或者說匹配濾波的能力，還需要不斷地迭代；產(chǎn)業(yè)端，做新型的傳感器一定要與代工廠有良好的合作，新型傳感器并不能直接使用代工廠的標(biāo)準(zhǔn)工藝，很多方面需要代工廠使用更好的工藝設(shè)計(jì)，生產(chǎn)更好的器件來滿足激光雷達(dá)芯片的基本要求；應(yīng)用端需要和客戶溝通他們到底需要什么，用什么的方案更能滿足他們的需求，這樣他們對(duì)新的方案也有更多的理解和寬容，這是市場培育的一個(gè)工作。 對(duì)于洛微科技而言，OPA+FMCW無疑是一條高壁壘且難走的路，但他們認(rèn)為這是正確的路且堅(jiān)定走下去。馮寧寧認(rèn)為：“目前的硅光芯片方案是比較新的技術(shù)，在激光雷達(dá)領(lǐng)域芯片迭代還需要足夠長的時(shí)間。除此之外，激光雷達(dá)本身也是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，想做成一個(gè)完整符合車規(guī)要求，成本可控的產(chǎn)品，在工程上還有許多坑需要邁過去。可能還需要一兩年，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)才會(huì)達(dá)到符合車規(guī)量產(chǎn)化的程度。” 但上述受訪廠商對(duì)固態(tài)激光雷達(dá)這一賽道的前景及國內(nèi)供應(yīng)商的發(fā)展充滿期待，他們認(rèn)為現(xiàn)在的半固態(tài)方案只是“過渡方案”，固態(tài)方案將在2025年左右落地，且在該領(lǐng)域國內(nèi)外廠商的起跑線基本相同，并表示跟已經(jīng)比較成熟的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品相比，在中國產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)速度和迭代速度助力下，在固態(tài)激光雷達(dá)這個(gè)新的領(lǐng)域上有信心超越國際上的其他對(duì)手。 寫在最后 產(chǎn)業(yè)界雖對(duì)固態(tài)激光雷達(dá)大方向已達(dá)成共識(shí)，但從芯片設(shè)計(jì)、制造成本到系統(tǒng)集成，落地應(yīng)用仍面臨不少挑戰(zhàn)。當(dāng)然，中國的供應(yīng)商已在這些領(lǐng)域布局并有所成果。米磊指出，“激光雷達(dá)與芯片行業(yè)的發(fā)展情況類似，自20 世紀(jì)60年代發(fā)明以來，曾經(jīng)昂貴、笨重的激光雷達(dá)，體積正不斷縮小，價(jià)格也逐漸趨于穩(wěn)定。”中國有廣闊的市場機(jī)會(huì)，但還需要努力去把這些優(yōu)勢真正轉(zhuǎn)化成為勝勢。 |
