文章來源：電子工程專輯

作者：劉于葦

汽車行業(yè)，是一個(gè)非常傳統(tǒng)的行業(yè)，但最近幾年由于電力化和智能化，使這個(gè)行業(yè)產(chǎn)生了新的動力。特別是各種感知產(chǎn)品的應(yīng)用，使汽車變得更加安全和舒適；

機(jī)器視覺也是一個(gè)很歷史悠久的行業(yè)，因?yàn)楣I(yè)4.0時(shí)代，再加上自動化、人工智能的導(dǎo)入，使這個(gè)行業(yè)有了新的動力、新的活力；

邊緣人工智能則是新興市場，主要是由人工智能、5G、IoT等新技術(shù)導(dǎo)入后開發(fā)出新的應(yīng)用。

從第一次工業(yè)革命機(jī)械化，到第二次工業(yè)革命電力化，到第三次工業(yè)革命計(jì)算機(jī)數(shù)字化，到現(xiàn)在第四代工業(yè)革命人工智能化、信息化。人工智能對人類社會方方面面的影響和改變，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算機(jī)數(shù)字工業(yè)革命。

“人工智能之父”Andrew Ng是斯坦福大學(xué)人工智能專家，他認(rèn)為人工智能就像第二次工業(yè)革命的電力，將給整個(gè)人類帶來的一次深入的變革。數(shù)據(jù)則是人工智能的動力和發(fā)動機(jī)，感知是數(shù)據(jù)的燃料。

“汽車、機(jī)器視覺和邊緣人工智能，這也是我們的三個(gè)主要市場方向?！?安森美半導(dǎo)體智能感知部全球市場和應(yīng)用工程副總裁易繼輝說到，“我們在包括圖像感知、多光譜/高光譜感知、激光雷達(dá)感知、毫米波雷達(dá)感知、傳感器融合等深度感知領(lǐng)域做了很大投入，來推動AI和第四次工業(yè)革命的進(jìn)步。”

安森美半導(dǎo)體智能感知部全球市場和應(yīng)用工程副總裁 易繼輝（Sammy Yi）

汽車感知面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

未來的汽車，是一個(gè)架在四個(gè)輪子上、具有極其強(qiáng)有力的感知能力的計(jì)算機(jī)。從過去這些年我們可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在最好的汽車感知系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類的感知，能夠?qū)崟r(shí)、不知疲倦地監(jiān)控周圍環(huán)境，這是人類駕駛員遠(yuǎn)做不到的。

鑒于汽車感知能力的提升、自動駕駛技術(shù)的日益完善以及共享汽車等新模式的出現(xiàn)，現(xiàn)在汽車的可靠性已經(jīng)不僅僅要求像現(xiàn)在這樣一天開兩三個(gè)小時(shí)，多數(shù)時(shí)間停在車庫里了，而是大多數(shù)時(shí)間都在開，只有一兩個(gè)小時(shí)去充電、做維修。然后還有對汽車自動駕駛功能安全，以及網(wǎng)絡(luò)安全的要求。

這些新要求，也為汽車成像帶來了很多挑戰(zhàn)。

01

一是寬動態(tài)，在強(qiáng)光下或從暗到亮，如果寬動態(tài)不夠，可能根本沒有辦法看到；

02

二是環(huán)境條件，車要能在東北零下幾十度的環(huán)境開，也能夠在沙漠開或者南方高溫條件下開；

03

三是對圖像傳感器來說很獨(dú)特的挑戰(zhàn)，辨別各種LED指示牌、交通燈，這種LED牌對人眼來講非常舒服，特別是夜晚很明亮，但LED閃爍頻率沒有標(biāo)準(zhǔn)，圖像傳感器有時(shí)會因?yàn)轭l率不同步，捕捉不到信號。對駕駛員人眼來看沒有太大問題，但對機(jī)器視覺就是很大的挑戰(zhàn)。

“過去的方案都是用軟件來解決，現(xiàn)在已經(jīng)做到芯片級的硬件解決方案了?！?易繼輝說到。

上圖是一個(gè)圖像傳感器的示意圖，一共有六層，都是由半導(dǎo)體制成。

易繼輝認(rèn)為，市場上有一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為GPU和CPU是半導(dǎo)體里挑戰(zhàn)性和難度最高的，但實(shí)際上圖像傳感器才是最難的。

因?yàn)椤癎PU和CPU要對付的主要是電子(Electron)，但在圖像傳感器里，既要對付電子又要對付光子，光子和電子的結(jié)合使圖像傳感器變成非常復(fù)雜的半導(dǎo)體。未來甚至人工智能都可以直接放在圖像傳感器里?！?

上圖解釋了為什么寬動態(tài)非常重要。左邊是寬動態(tài)不好的情況下，照顧了暗的部分，亮的部分就看不見了。

而右邊在寬動態(tài)好的情況下，暗的亮的都看得清楚，這才能夠給人工智能算法提供準(zhǔn)確和全面的信息，做出準(zhǔn)確和安全的判斷。

大家也經(jīng)常碰到對面來車開遠(yuǎn)光燈的情況，十分討厭。如果車燈在這個(gè)場景下的寬動態(tài)范圍是102dB，而傳感器只有70dB，可能就看不到來車旁邊的行人或物體，導(dǎo)致車禍。

這時(shí)候用110dB的傳感器就可以避免這場悲劇。另外在幾乎沒有燈的夜視場景下，是否有搭載近紅外+(NIR+)技術(shù)，對于夜間行車是一個(gè)是看得見，一個(gè)是看不見的天壤之別。

智能駕駛艙也是目前國內(nèi)越來越重視的一個(gè)應(yīng)用。

駕駛員監(jiān)控的應(yīng)用越來越廣泛，包括駕駛員的識別，分辨出這是先生還是太太后自動調(diào)節(jié)車椅、后視鏡的位置，空調(diào)的溫度，甚至喜歡的電臺都可以自動調(diào)整；

乘客監(jiān)控也有不少應(yīng)用，例如在美國經(jīng)常出現(xiàn)家長把小孩或者寵物忘在車?yán)锪?，借助乘客監(jiān)控，你離開車后會自動提醒你在車?yán)锿浟耸裁礀|西。

據(jù)介紹，針對智能駕駛艙解決方案，安森美半導(dǎo)體有兩款百萬像素的IVEC模組，在業(yè)界非常受歡迎，其中AR0144AT是整個(gè)業(yè)界用量是最大的一款。

智能駕駛艙普遍面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是，目前的攝像頭尺寸太大了——18×18cm3，最小的也要3×3cm3，“我們和合作伙伴一起開發(fā)了0.5×0.5cm3的小型攝像頭，放在車?yán)锍丝?、駕駛員基本上都不會看得到?！币桌^輝說到。

成立6年，卻有40年的“內(nèi)功”？

易繼輝表示，安森美半導(dǎo)體不只提供單一產(chǎn)品，還提供包括二極管、LDO、電源管理IC在內(nèi)的硬件整體方案。

所以在設(shè)計(jì)下一代圖像處理器時(shí)，可以和公司其他產(chǎn)品部門合作開發(fā)配套的電子產(chǎn)品、器件，使攝像頭性能最優(yōu)化。

據(jù)介紹，安森美半導(dǎo)體其他元器件的車規(guī)、功能安全已經(jīng)能夠實(shí)現(xiàn)ASIL-B程度，所有元器件都按照公司統(tǒng)一的質(zhì)量體系，擁有統(tǒng)一的可靠性能。

安森美半導(dǎo)體目前已經(jīng)開發(fā)超過50家合作伙伴，從光學(xué)鏡片到信號處理器，I/O、Interface接口、SoC處理器、軟件系統(tǒng)。

據(jù)介紹，盡管安森美半導(dǎo)體的智能感知部成立只有六年，但公司在圖像傳感器行業(yè)卻已經(jīng)有超過40年的歷史。

主要通過幾次重要戰(zhàn)略性并購茁壯成長，例如：前身是柯達(dá)影像的TRUESENSE，核心技術(shù)來源于貝爾實(shí)驗(yàn)室CCD影像；前身是美國航天宇航局JPL噴氣式推動器實(shí)驗(yàn)室的Aptina，1993年曾為阿波羅登月開發(fā)出全球首款CMOS圖像傳感器。

從三年前開始，安森美半導(dǎo)體又陸續(xù)收購了IBM在以色列的毫米波雷達(dá)研發(fā)中心，以及專注于飛行時(shí)間(ToF)激光雷達(dá)傳感器開發(fā)的愛爾蘭公司SensL。

根據(jù)日本第三方市場調(diào)研公司TSR(Techno Systems Research)的調(diào)研結(jié)果，圖像傳感器在汽車領(lǐng)域主要分為兩個(gè)市場——汽車成像和汽車感知。

汽車成象應(yīng)用主要是給人眼看的，如駕駛員、乘客、后視、環(huán)視、電子后視鏡，安森美半導(dǎo)體在全球占大于60%的市場份額；

汽車感知?jiǎng)t是給人工智能和機(jī)器視覺用的感知系統(tǒng)，安森美半導(dǎo)體在這個(gè)市場占有率大于80%，并在逐年擴(kuò)大。

易繼輝透露，安森美半導(dǎo)體2019年在汽車市場銷售了近一億顆傳感器，而全球汽車銷售量在6,500萬輛。

中國的自動駕駛

中國國內(nèi)自動駕駛分級和國外基本接近，都是六級，從L0到L5級別逐漸提高，自動化程度逐步擴(kuò)大。

最大的分界點(diǎn)是從L3到L4，主要區(qū)別在于L3在一些極限場景下需要駕駛員自己來操控，L4理論上駕駛員完全不需要操控，全是由機(jī)器來操作。

簡單地講，

1

L1、L0是什么都沒有，L1英文叫做脫腳(feet off)，腳可以不踩油門剎車了；

2

L2是脫手(hands off)，手可以放開駕駛方向盤；

3

L3是eyes off，駕駛員的眼睛可以不用看了，只是汽車給你警告時(shí)要轉(zhuǎn)回來；

4

第四級是mind off，腦子都不用想了，因?yàn)檫B方向盤都沒有了；

5

第五級叫做limit off，已經(jīng)沒有任何局限的場景，任何場景都可以自動駕駛了

從L1到L5，不管是傳感器數(shù)量還是種類都不斷地?cái)U(kuò)大增加。最大的差別是L3和L4之間，L4一定需要激光雷達(dá)，而L3很多公司都不會用激光雷達(dá)，只作為一個(gè)可選項(xiàng)參考，因?yàn)樗某杀痉浅８?。這也是過去業(yè)界討論后的結(jié)果。至于自動駕駛是從L3逐步演變到L4，還是直接跳到L4？

另外，電動汽車充電樁也是安森美半導(dǎo)體的碳化硅戰(zhàn)略市場之一。充電樁實(shí)現(xiàn)的方案有很多種，現(xiàn)在消費(fèi)者最感興趣的就是直流快充。直流快充的充電樁需要非常大的充電功率以及非常高的充電效率，這些都需要通過高電壓來實(shí)現(xiàn)。

最主要的原因是L3中駕駛員仍然需要控制汽車，極限場景下還是要靠人。所以不光在自動化設(shè)計(jì)的程度上，還是感知數(shù)量和種類的應(yīng)用上，都要考慮到成本的問題，人工智能算法、計(jì)算平臺都是為了有局限性的自動駕駛，而不是所有場景。

L4因?yàn)橥耆恍枰紤]到駕駛員，所以一定要用激光雷達(dá)和高清地圖。這是兩個(gè)完全不一樣的平臺，L3就像加減法，L4是微積分：加減法永遠(yuǎn)算不出極限，只有微積分才能算出它的極限值，也就是在L4的情況下，才能涵蓋所有極限的情況。

從國內(nèi)自動駕駛的趨勢來看，國內(nèi)一些整車廠推出的高端品牌車上，已經(jīng)有L2、L3的功能。跟國外有一點(diǎn)不同的是，國外特別是歐洲的L2、L3也就是先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的大批量使用和成長，是由法規(guī)和安全標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動的，而不是由消費(fèi)者或車廠驅(qū)動。

目前，國內(nèi)沒有相應(yīng)的法規(guī)和安全標(biāo)準(zhǔn)來要求，車廠主要精力放在創(chuàng)造自己的技術(shù)和品牌效應(yīng)，但消費(fèi)者接受程度還不統(tǒng)一。在美國就完全不一樣，有時(shí)候車主對汽車自動駕駛太相信了，L2的車當(dāng)L4用，也因此發(fā)生了不少車禍。

對于L4、L5自動駕駛，易繼輝認(rèn)為現(xiàn)在落地的商業(yè)模式已經(jīng)很清晰，“以前一開始以B2C的形式走消費(fèi)類私家車，但現(xiàn)在國外很多整車廠的一些私家車L4項(xiàng)目或者是暫緩，或者是已經(jīng)停下來了。現(xiàn)在基本上是走B2B，先以商業(yè)車的模式來落地。”

原因是目前智能感知系統(tǒng)成本非常高，只有商業(yè)車才能承受得這樣的成本，私家車一天開兩個(gè)小時(shí)，平時(shí)放在車庫，是完全沒有辦法支付成本的。

01

一是自動駕駛的出租車(Robotaxi)，國內(nèi)發(fā)展的速度非?？?，完全不輸美國，而且國內(nèi)的很多自動駕駛車廠都是同時(shí)在美國拿到了許可證，且在中國和美國兩地都有研發(fā)中心。

結(jié)合《電子工程專輯》過去的報(bào)道看，國內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)有18個(gè)城市簽發(fā)了自動駕駛許可證，將近500輛全自動駕駛的出租車在路上測試，光百度就有將近200輛。

02

二是物流機(jī)器人，在新冠狀病毒疫情以后，物流機(jī)器人的應(yīng)用越來越普及，特別是在一些小區(qū)、校園、工業(yè)園區(qū)、醫(yī)院、機(jī)場。

03

三是大型商業(yè)車，因?yàn)楦咚偕虾芏鄲盒允鹿识际谴筌囋斐傻?，特別是駕駛員的疲勞。傳感器裝上后可以360度實(shí)時(shí)監(jiān)控，感知能力不亞于駕駛員，所以商用車自動駕駛已經(jīng)逐步開始。

易繼輝稱根據(jù)市場調(diào)查結(jié)果顯示，安森美半導(dǎo)體在這個(gè)領(lǐng)域的市場份額是80%，在中國市場更是占了90%。

工業(yè)機(jī)器視覺和邊緣人工智能

隨著工業(yè)4.0和自動化的深入，人工智能使機(jī)器視覺市場快速發(fā)展，邊緣人工智能不斷應(yīng)用在一些新領(lǐng)域，比如新零售，智慧農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)都開始了智能化。

而新冠疫情后更是出現(xiàn)了幾大趨勢，一是遠(yuǎn)程化，遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療會越來越普遍；二是無人化，例如無人送貨車、無人商店，減少人和人之間的接觸，即無接觸化。

說到工業(yè)機(jī)器視覺，就不得不提平板檢測，它是對圖像傳感器最有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。尤其是近些年，從1K、2K、4K一直到8K，像素在逐漸擴(kuò)大。

檢測過程分兩步：第一步是暗檢測，上電前主要檢測一些指紋、劃痕和其他物理上的問題；第二步是上電以后對像素點(diǎn)的檢測，特別是針對OLED和最新的AMOLED(Active Matrix OLED)。

眾所周知，LED有一個(gè)亮板在后面作為發(fā)光源，而OLED的每個(gè)像素都是一個(gè)單獨(dú)發(fā)光源。

像素和像素之間發(fā)光的強(qiáng)度和色彩的均勻度都要能夠很準(zhǔn)確地偵測出來，過去檢測LED面板上的1顆像素，對應(yīng)需要9顆像素(3×3)，OLED則對應(yīng)需要16顆(4×4)，甚至25顆(5×5)像素。

所以對圖像傳感器的像素要求越來越高，從4,500萬要到1.5億像素，甚至超過2億像素。

另外在工業(yè)上，圖像傳感器還被用于監(jiān)控/廣播、PCB檢測等。

那圖像傳感器這幾年的發(fā)展趨勢是否跟得上呢？下圖以1.3英寸固定尺寸的圖像傳感器發(fā)展趨勢為例，可以看到圖像傳感器的分辨率在逐年提升；二是噪聲導(dǎo)數(shù)，相當(dāng)于圖像質(zhì)量，隨著像素的增大也是不斷地提高；三是帶寬，也是在逐年提高。

一個(gè)很好的例子，29×29mm2標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)用攝像頭，在十年以前可能只是200萬像素，后來逐漸增加到300萬、500萬、1200萬，今年已經(jīng)能夠用到1600萬像素。

一些關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步也是很有意義的：

全局快門，可在高速運(yùn)動下使圖像不會有拖影；

像素內(nèi)校正，以前都是在系統(tǒng)里通過軟件校正，現(xiàn)在可以直接做到硬件里，在像素內(nèi)部去做圖像校正；

工藝節(jié)點(diǎn)，從110納米到65納米，再到45納米，甚至更小，充分利用了摩爾定律的優(yōu)勢，即成本、尺寸、耗電量都在逐年下降；

背照式（BSI），由于在同樣尺寸下，分辨率越來越高，像素尺寸可能越來越小，可能導(dǎo)致暗光下感光量、感光度降低，背照式可用來提高感光能力；

堆棧架構(gòu)，告別兩維架構(gòu)，進(jìn)入三維空間后，堆棧式、兩次堆棧、三次堆棧都有可能實(shí)現(xiàn)。

“以后我們不光可以把模擬和數(shù)字信號放在第二層，還能把人工智能算法放在第三層，讓圖像傳感器變成高智能化的圖像傳感器?！?易繼輝暢想到。

3D成像、高光譜和多光譜成像

易繼輝表示：“3D成像、高光譜和多光譜成像都是安森美半導(dǎo)體未來的方向。現(xiàn)有的方案都是在系統(tǒng)上解決，而我們的想法是把這些困難和問題在半導(dǎo)體層面，用摩爾定律來解決。一旦能夠用摩爾定律解決問題，自然就帶來了降低成本、縮小尺寸、降低功耗的好處?！?

針對深度成象(3D)，幾年前安森美半導(dǎo)體已經(jīng)開發(fā)出了相位檢測方案，在像素上面做一些改動，可以在1-5米內(nèi)做到1.1%到2%精度，同時(shí)可以提供深度和色彩等圖像信息。原理就是通過在圖像傳感器上做一層衍射光柵，使它的相差能夠分離出來，形成深度的信息。

而ToF則有兩類，一類是iTOF，即indirect ToF；一類是dTOF，即direct ToF。

安森美半導(dǎo)體的方案是遠(yuǎn)距離的dToF，利用單光子雪崩二極管(SPAD)和硅光電倍增管(SiPM)，將光子發(fā)出去后再接收回來，能夠非常準(zhǔn)確地判斷出遠(yuǎn)處物體的距離，距離能夠達(dá)到250甚至300米以外。而iTOF一般是間接計(jì)算出距離。

高光譜和多光譜成像方面，安森美半導(dǎo)體也是在半導(dǎo)體層面來解決光譜分離的問題。

等離子波導(dǎo)濾波片技術(shù)分離出來光譜不是那么完整和精確，但是有一些應(yīng)用場景是適合的；法布里-珀羅(F-P)分光濾光片是在半導(dǎo)體上加了一些反射鏡，它可以把光譜非常準(zhǔn)確地分離出來，但成本和可靠性都有一些問題。

激光雷達(dá)

機(jī)械式雷達(dá)使用的傳統(tǒng)技術(shù)是雪崩光電二極管(APD)，它的缺點(diǎn)是體積大、功耗高、偵測距離范圍有限、一致性不好。

一般的機(jī)械式雷達(dá)保質(zhì)期只有一年，因?yàn)樗枰粩嘈D(zhuǎn)，所以損耗很大，而且現(xiàn)在產(chǎn)量還比較小，不能夠大批量生產(chǎn)。

安森美半導(dǎo)體激光雷達(dá)采用的技術(shù)叫做硅光電倍增管(SiPM)，由SPAD集連而成，采用同樣的工藝。

安森美半導(dǎo)體智能感知部大中華區(qū)市場總監(jiān) 郗蘊(yùn)俠博士(Yolanda XI)介紹道，“它的優(yōu)勢在于增益是APD的1萬倍，靈敏度是APD的2000倍，工作電壓要求只要30V，而APD要250V。另外，它的一致性非常好，利于大批量生產(chǎn)?！?

安森美半導(dǎo)體智能感知部大中華區(qū)市場總監(jiān) 郗蘊(yùn)俠博士（Yolanda XI）

郗蘊(yùn)俠表示，在很多行業(yè)尤其是汽車行業(yè)中，安森美半導(dǎo)體是最早給客戶提供SiPM和SPAD工藝技術(shù)的。該技術(shù)已在醫(yī)療方面大量應(yīng)用，且已是量產(chǎn)狀態(tài)。對比其他競爭對手而言，該技術(shù)的重點(diǎn)在于：

01

車規(guī)化。現(xiàn)在之所以很多激光雷達(dá)可靠性不高，是因?yàn)闆]有車規(guī)化里面的器件，所以整個(gè)系統(tǒng)也達(dá)不到車規(guī)化，需要在半導(dǎo)體層面上解決這一問題。

02

安森美半導(dǎo)體推出的RDM，“M”代表Micro Lens微鏡，本來這個(gè)微鏡是用在圖像傳感器上的，但現(xiàn)在用在了激光雷達(dá)上。

好處在于，在激光雷達(dá)的探測器中有個(gè)特別重要的指標(biāo)：PDE，即Photon Detection Efficiency（光子探測效率），它相當(dāng)于圖像傳感器QE指標(biāo)。這個(gè)指標(biāo)越高，就說明它的光子轉(zhuǎn)化成電子的效率越高。在RDM系列中加了微鏡技術(shù)以后，它的透光率就更高，轉(zhuǎn)化出來的PDE提升也非常高。

03

采用成熟CMOS工藝。如果出貨量上到萬的等級，以前的APD技術(shù)都不可能用人工標(biāo)定。而CMOS工藝可以達(dá)到真正的低成本、低功耗，以及優(yōu)化尺寸等等，能實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)真正的落地，車規(guī)化的落地。

安森美半導(dǎo)體在激光雷達(dá)上也提供整體的、系統(tǒng)的方案

毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)的適用范圍囊括了自動駕駛的L1、L2、L3、L4、L5級別，在不同級別上有不同的應(yīng)用。

易繼輝表示，安森美半導(dǎo)體下一代毫米波雷達(dá)的重點(diǎn)放在L3上，使用的技術(shù)叫做“MIMO+”，能夠提供四維(4D)信息（R是距離，V是速度，A是角度，E是高度）。

易繼輝表示，MIMO+和競爭對手的技術(shù)相比，要多一倍的通道，也就是說同樣性能的毫米波雷達(dá)，安森美半導(dǎo)體方案可以節(jié)省50%的mmIC器件，還能減少優(yōu)化控制器、線路板，降低總體成本。

同時(shí)，安森美半導(dǎo)體也會開發(fā)雷達(dá)信號處理，并且按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定制對外聯(lián)接接口，不管是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)還是未來發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)。

郗蘊(yùn)俠表示，安森美半導(dǎo)體現(xiàn)在已與大中華地區(qū)的一些重點(diǎn)客戶開展毫米波雷達(dá)項(xiàng)目，向他們提供了一些芯片，客戶產(chǎn)品已經(jīng)處于研發(fā)階段。

一張圖表總結(jié)安森美半導(dǎo)體在汽車感知上的產(chǎn)品陣容。

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