越简单的事情,越讲究。
| 宇多田
封面| 电影《编舟记》
“只要激光雷达价格能降到1X00元,大门无条件给大家敞开。”
2024年初,一家销量惨淡的新势力,笑呵呵放出的话,让激光雷达厂商集体陷入“不是他疯便是我亡”的无语状态。
自进主机厂供应链以来,历史上,无论头部“三傻”——禾赛、速腾和图达通,还是一众追随小弟,都在以“血亏”的跪姿匍匐前进;
而华为的自产自销,也只是打碎牙齿往肚里咽罢了。
目前,除了速腾往死里拆减零部件,把主雷达BOM成本勉强拆进2000左右的区间(代价是性能迭代很有限);其他家的整机成本,虽做了改动,但依然不低。
“降本”势在必行,但显然不会很快。
因为我们发现:
向下,是主机厂压榨;向上,则是另一座无法跨越的大山。
“激光雷达本质就四个部分,‘扫描’‘收发’和‘数据处理’。但你能想到,现在一枚‘接收芯片’的价格就高达1000元吗?”一位激光雷达从业者长叹。
是的,它就是大名鼎鼎的SPAD芯片。
来自索尼,名叫IMX459。
如果说去年,产业还只是把这枚“网红芯片”与补盲激光雷达挂钩;
那么今年,无论前视主雷达还是补盲,无论华为还是禾赛速腾,无论转镜还是MEMS扫描路线…
都已无法绕过索尼IMX459这座大山。
其中,华为甚至专门找索尼定制了一枚接收芯片。
“因为它确实无法替代。”
一位工程师抓头,网上都在歌颂科技崛起,但他们这些做实业的人心里再清楚不过。
“只有索尼459在保持一定精度同时,探测距离达到150米以上。
去年,国内那么多厂家宣称都能做出车规SPAD,还说流片量产,但实测效果都达不到要求。
要么测远了精度达不到,要么精度够了但只有几十米,良率还待定。”
而另一边,索尼探测效率(PDE)高达50%的下一代 IMX479,已经在华为和禾赛那里有了Demo。
与此同时,早与1550路线解绑的图达通,也在思考用SPAD芯片,替掉自己昂贵的铟镓砷器件。
“基本上,国内无论是雷达厂商,还是SPAD公司,甚至不少器件厂,都把索尼459摸了个遍。但却拿它毫无办法。” 他笑称,
“往往越该出现技术创新的地方,反而越显得很无力。”
01
大势所趋
索尼工程师曾在一次产业会议上提及自己做SPAD的起因:
“我们本来很不看好这事儿,感觉它很难用起来,是苹果让做我们就做了。”
事实证明,一切都来自终端市场的灵感。
2019年,就在苹果决定给iPhone配置一颗短距激光雷达同时,自动驾驶赛道也恰好处于狂欢期末尾。
借势打势,索尼筹划酝酿的这颗车规级IMX459,最终在2020年流片。
不夸张,这的确是产业真正意义上的第一枚车载SPAD SoC(片上系统)。
而在我问及索尼的最大优势时,包括索尼自己,所有人给的答案都没什么亮点:
“做了20年全球CMOS传感器市场的老大,怎么就不能攒一枚SoC?
SPAD芯片本就是从CMOS晶圆上‘长’出来的。”
不过,索尼真正的天才之处,更像是对“激光雷达”概念做了一次跨域式理解——
从传统产业角度,激光雷达的内核被公认是“一个‘光转电’的过程”;
但从图像角度,SPAD却重新定义了它:
为什么不能跟相机一样,做成“光转数”?把“光转电”、“电转数”和“数据处理”,集成到一块CMOS晶圆上。
毕竟,CMOS 本就是一种“将光转换成数字信号”的半导体器件。
这样来看,就显得清晰了。
传统APD,就是一个纯粹的“光转电”接收器,必然要搭配一堆零零碎碎的周边。
APD供应链虽成熟,但对于激光雷达走向小型化、精简化的增益,并不大。
第三种接收技术路线SiPM,虽探测范围广,但争议在于“线数越高,模组越多,降本越难”。
譬如,禾赛的AT128此前便采用SiPM方案,拼接堆叠了128组收发,成本很难降下来。
因此,无论是车载传感器芯片,还是域控芯片,走向高集成化与极简化,从哪个角度,都一定是大势所趋。
一位激光雷达产品经理说,有位大佬的话曾让他醍醐灌顶:
“激光雷达的扫描、收发与信控是一体的,其中一环做简单,那么另外两环就要上难度。
而大家都在唯一的机械部件上追求极简,那么收发与信控要上难度,才能做好整机。”
现实,与此话基本对齐:
为了降低点云拼接的不稳定,速腾把扫描器从二维MEMS换成一维,借助索尼459的高灵敏度,把性能“抹平”。
此外,正是SPAD上了难度,舍弃掉一些功率的VCSEL才被市场允许。
不过,与难度相对应:话语权,也最终收拢于SPAD。
02
妙在其中
对于国内外SPAD差距,一位激光雷达产品经理挤出个勉强的笑:
“说个略冠冕堂皇的结论吧,两年。”
实际上,在2021年激光雷达产业陷入集体鸡血时,SPAD创业潮就已蠢蠢欲动。
但直到现在,从量产角度看,虽有不少SPAD企业,急吼吼拿着demo去整机厂和主机厂测试,但稳定性却一言难尽,良率也无从考证。
“串扰(crosstalk)有点严重。”
一位工程师觉得很难评,因为都未进入过真正的量产。
“这种问题虽根因由发射端引起,但却表现在接收端。简单来说,就是SPAD过于灵敏,啥噪音都能给你抓到。”
的确。
从原理看,如果说APD只是对弱光信号按某种比例进行放大;那么 SPAD 便拥有理论上的“无穷大增益”,所以才能敏锐感知单个光子的存在。
因此,对待“高敏感人格”的SPAD,研发们既要在CMOS晶圆上把像素隔离做好,避免假响应;
又要在‘有限面积’内保证感光效率(PDE);
还要保证PDE在-140~125的温度域里不能浮动过大…
嗯,这些的确是日本专家最擅长的——
有足够耐心,给遍布犄角旮旯的细节做平衡。
“上车环境很严苛。感光如果持续不稳定,那么数字信号特征值就会垮掉,标定要怎么做?”
索尼相关人士认为,根本上,一切都是大厂出品的“质保”与“独特品味”决定的。
索尼位于长崎的技术中心,主要生产移动CMOS传感器
但作为一枚SoC,SPAD难度不止于CMOS工艺,还在于CMOS与逻辑芯片的“互通”效率。
因此,索尼在SoC上更独一无二却不太为人所知的能力,是“封装”。毕竟,索尼也手持三家CMOS半导体制造工厂。
粗浅理解,索尼459,本质是由两块“PCD板”上下“捏合”而成——
上面是CMOS,下面则是逻辑芯片。
而每一个光子,都要先在CMOS上经过透镜漂移至“雪崩区”,被击穿后形成无数倍大的电信号,“下沉”至底层的逻辑芯片。
这种互叠结构,便是索尼开天辟地式的创新之一,直接把“CMOS老大”头衔延长了10年之久。
但上下“捏合”,如果用传统TSV方法在硅片上打孔,肯定不能“穿过”像素层,必须扩展边缘;同时,逻辑芯片复杂度越高,孔也要打得越多。
两者作用下,势必会增大芯片面积,与“降本”相悖。
因此,索尼又开创了一个名叫“Cu-Cu混合键合”的封装技术。其最大特点,便是“缩小每一个‘连接单元’的占用空间”。
索尼自己打过一个比喻:
这相当于“把两座120平米运动馆完全对齐,误差不能超过1毫米”。
但最有趣的,是搞创新的人。
这些为索尼立下汗马功劳的技术天才,都不是传统的CMOS专家,而是跨域而来的逻辑芯片专家。
他们年过半百,也谦虚少言,深藏于技术中心的实验室里。
此外,他们均经历过重大研发与流片失败,最终被财务部持续力挺,才勉强战斗到最后。
果然,大多数时间,技术奇迹,并不取决于发明者本身。
因此,无论是CMOS家底、工艺创新,亦或是日本工业文化与人,每个单拿出来,都解释不了“索尼为何彻底垄断了当下的车载SPAD市场”。
或许,国内SPAD厂商该庆幸的是,在技术还未成熟时智驾遇冷,先在机器人等其他领域找一些机会试手,生存下来,才是正解。
“其实索尼也在寻找汽车以外的细分市场。”
一位产业人士指出,虽然索尼“独孤求败”,但由于国内激光雷达总出货量未达预期,也在让他们反思:
“百万颗出货量,肯定是远远不够的。”
03
写在最后
这个2017年还是新兴车载传感器的硬件,在芯片化道路上,已经算是进步飞速。
很显然,系统复杂度大大降低的好处,便是上车可靠性大涨;但对于本就挣扎求生的整机企业,却不是件好事:
产品结构越简单,集成优势降低,“难度”便会向上爬。创新与成本压力,便会转移至单枚芯片上。
而垄断者,就会尝尽甜头。
除了索尼,ARM、英伟达、英特尔与高通在各自地盘上横行,都是活生生的例子。
当然,这也是禾赛宣称要自研SPAD的根本原因。即便他们为欧洲某豪车做的AT512 仍然采用了索尼产品。
而纵观激光雷达整个系统,收发与数据处理的BOM成本占比高达70%,的确阻碍了激光雷达的降本之路。
更不用说,主机厂工程师们本来都挺期待的FMCW技术路线——
即便抗干扰能力与“速度”信息极为诱人,但由于高昂成本与缓慢的技术创新,创业公司们在资本与整机厂的冷眼中逐渐消失。
“我们能有什么选择?” 一位小厂早放弃了前沿探索,
“大厂还要顾及股价,整天在欧洲车厂大佬面前刷存在感;而小厂,根本没有技术创新空间。
首要任务,活下来。”
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