來源：本文由半導體行業觀察翻譯自semiengineering ，謝謝。

汽車市場對輔助和自動駕駛技術的青睞，使得可視雷達和激光雷達感測的需求急劇上升，但是汽車製造商也正在對供應商此方面的能力提出一些更新的、更苛刻的要求。

汽車市場一直對供應商很苛刻。OEM廠商們想要更小、更快、更便宜的設備，同時也要提高先進的駕駛輔助系統(ADAS)和自動駕駛技術的安全水平。一般來說，在汽車裡必須有各種各樣的安全保障，比如自動緊急制動、車道檢測和後置物警告。

雷達是一種用於檢測車輛的盲點檢測和其他安全特性的對象檢測技術。「隨著時間的推移，雷達模塊已經大幅縮小，熱管理也越來越難。」NXP的產品線經理Thomas Wilson說「因此，性能需求的上升，尺寸的下降，對成本要求變得越來越嚴苛。」

如今汽車中使用的雷達模塊很笨重，在不同的模塊中集成了多個晶元。但為了減小尺寸和成本，飛凌、NXP、Renesas和TI都在在向集成雷達晶元模組努力，這種晶元組需要將原本同一設備上的各種組件功能性的組合在一起。

雷達晶元組是一個應用目標，但指出了一個新興趨勢。晶元製造商可以不採用不同的晶元製造工藝，在45nm和28nm的標準CMOS工藝中集成了達設備,22nm製程的FD-SOI也是可選的工藝選項。

另一項技術，激光雷達(光成像、探測和測距)使用脈衝激光來測量距離。正在從笨重的系統向更小的固態單元移動，並集成了更多的組件，以降低這項技術的高成本。

當然還有其他的推動作用。該行業正在開發的下一代雷達，解析度更高，旨在取代激光雷達。但激光雷達技術並不是停滯不前的。

事實上，沒有一種技術能夠覆蓋所有的自動採集要求。現在一些車輛合併了先進的視覺系統和雷達。隨著時間的推移，它們也可能包括激光雷達，這意味著各種技術將會共存。

每一種技術都有其優點和缺點:「與雷達相比，激光雷達是一種更昂貴的系統，但它更準確地識別出一個物體。激光雷達在惡劣的天氣條件下有其局限性，如雪、雨和霧，」Semico研究總裁Jim Feldhan說。「雖然雷達似乎沒有受到天氣狀況的影響，但它不能像激光雷達那樣準確地確定物體的大小和形狀。」

為了幫助OEM廠商走在技術曲線的前面，半導體工程公司已經開始研究先進的視覺、雷達和激光雷達的發展趨勢，以及供應商試圖降低成本的方法。

更安全的汽車

汽車製造商們正在接受這些以安全為導向的技術，這是有充分理由的。根據美國國家公路交通安全管理局的數據，總共有94%的嚴重車禍是由於司機的失誤造成的。

多年來，汽車工業已經在汽車中加入了更多的安全特性。根據NXP的威爾遜的說法，這個行業正在遵循兩個並行的路徑——新的汽車評估計劃(NCAP)和自動技術。

亞洲、歐洲和美國都推出了NCAP的指導方針。在這個項目中，汽車被測試時根據車輛的安全性給予星級評分。五星級的等級是最高的，而一顆星是最低的。

「五星級評級對汽車銷售產生了巨大影響。更多的消費者被鼓勵購買具有五星評級的汽車，因為保險費較低。而且，他們也更安全。」威爾遜說。

每個洲都有自己的NCAP標準。根據NXP的說法，但從簡單的角度看，基本的NCAP標準包括一些ADSA技術，如自適應巡航控制、自動緊急制動、連接輔助、區域網輔助輔助等。

圖1:五星級標準的NCAP標準。來源:NXP

在自適應巡航控制系統中，汽車自動調整其在交通中的速度。自動緊急制動是指車輛在察覺碰撞時自動制動。

汽車的輔助系統會自動防止司機做出不安全的車道改變。交叉路口一個司機想要轉彎,如果汽車不安全，汽車就會自動剎車。

NCAP的路線圖為汽車中更多的感測器提供了必要的支持。「例如，自動緊急剎車將會利用攝像頭和雷達，而且這一技術正開始從超豪華車型轉向中端車型。」GlobalFoundries的汽車事業部副總裁Mark Granger說

此外，汽車製造商還在遵循自動駕駛技術的平行發展路線，這一變化正在推高對攝像頭、激光雷達和雷達的需求。不過，完全自動駕駛技術可能在未來10年或更長時間裡都不會成為主流。

圖2:自動駕駛結構。來源:NXP

自動駕駛技術只是工程中的一部分。他們必須和汽車的其他系統無縫銜接，永不失效。「這項技術可以歸結為兩個基本組成部分:1)車輛連接到互聯網，2)車輛感知和與周圍環境互動的能力，」UMC負責市場營銷的副總裁Steven Liu說。

「例如，車輛對車輛(V2V)和車輛-基礎設施(V2X)的採用越來越多，這意味著車輛雷達系統的數量在不斷增加。」劉說。「這些系統需要的技術包括汽車的反碰撞雷達和全球定位系統，以及需要與紅綠燈和車輛調度員進行交互的感測器。」這些將與現有的系統一起工作，如乘客舒適度和信息娛樂控制，以及調節溫度、輪胎壓力和氣體的發動機監控子系統。」

還有另一個關鍵的安全方面問題。「許多半導體器件都是汽車的功能和安全至關重要的一部分，這是不能容忍的，」kla-tencor的市場營銷高級主管Robert Cappel說。「自動駕駛技術的迅速發展，以及最終的自動駕駛技術，進一步推動了所有半導體晶元的需求，以保護汽車乘客和周圍環境中的其他人的安全。這是目前行業中每10億件零缺陷需求的最大驅動因素。」

更多視角

與此同時，汽車製造商們正採取各種措施來解決問題。例如，特斯拉的車輛包括8個攝像頭、12個超聲波感測器和雷達。超聲波感測器通過聲波測量物體的距離。

特斯拉目前還沒有使用激光雷達，因為這項技術太昂貴了。相比之下，更有可能使用其他融合了攝像頭、雷達和激光雷達的技術。

在這兩種情況下，先進的視覺是工程的關鍵部分。「近年來，基於攝像頭的感測器已經開始執行廣泛的任務，比如道路信號檢測、車道偏離警告、光束控制、停車輔助，甚至是司機監控，」Avi Strum說，他是托爾爵士樂公司的CMOS圖像感測器業務部門的高級副總裁兼總經理。

但是攝像機不能提供所有的安全功能。Strum說:「事實上，像Mobileye這樣的公司相信，僅基於攝像頭的感測器就能提供完整的解決方案。」「雖然基於照相機的感測器能夠在光線充足的環境中提供特殊的側向解析度，但在更惡劣的條件下，它們的表現會迅速惡化，比如在黑暗、雨、霧或雪中。」

他補充說，這意味著攝像機感測器必須改進，也就是在動態範圍和近紅外敏感度方面。

雷達市場的浪潮

雷達也是ADAS混合的一部分。簡單來說，雷達可以在毫米範圍內傳輸電磁波。波信號從物體上反射回來，然後反射回來。然後，雷達系統捕捉信號，以識別物體的範圍、速度和角度。

在一些汽車中，OEM廠商使用的是短程和遠程雷達。自適應巡航控制和自動緊急制動使用遠程雷達(LRR)。對於LRR，雷達模塊位於汽車保險杠後面的汽車的前中央。

圖3:自動駕駛汽車的雷達。來源:NXP

前置的LRR以毫米波頻率運行，頻率為77千兆赫，在160-200米範圍內。通常情況下，前置雷達模塊包含幾個不同的組件，例如微控制器(MCU)和RF無線電信號接收裝置。在操作中，接收端通過一個鏈發送雷達數據到MCU。

處理MCUs的製程基於CMOS，從55nm或40nm遷移到28nm。與此同時，獨立的無線電接收機通常是基於一種不同的高性能射頻過程，稱為硅鍺(SiGe)。一些使用Bi CMOS。這兩種技術都有更成熟的工藝節點。

前置的LRR將保持在77千兆赫，但是這項技術已經開始改變了。作為最近產品推出的一部分，德州儀器引入了一種單晶元雷達產品，該產品集成MCU和接收裝置在同一設備上。該雷達晶元組基於45納米射頻CMOS工藝，使不同部件集成。

「一個晶元雷達感測器解決方案比兩晶元解決方案有很多優勢，」TI的產品經理Kishore Ramaiah說。「因為它是一個RF CMOS解決方案，它具有更低的功耗和更高的集成度，而這又意味著更小的尺寸和優化的空間。」

然而，基於前置雷達的雷達很可能會堅持離散的解決方案，至少目前是這樣。NXP的威爾遜說:「這些LRR模塊的設計有很大的不同，這讓我覺得MCUs和收發機在一段時間內將是離散的。」「隨著時間的推移，RF CMOS技術在進步，並能夠支持LRR的射頻性能要求，它將比SiGe更具競爭力。」我希望他們能共存一段時間。」

真正的設計動作是在短程雷達(SRR)模塊中進行的，該模塊目前在24 GHz下運行，距離為60到70米。

SRR模塊位於汽車的后角，用於車道檢測、車道保持和相關功能。同時，連接輔助也使用SRR，該模塊位於左前保險杠上。

隨著車輛向更先進的ADAS功能前進，SRR雷達正從24 GHz升級到更高性能的79 GHz頻段。這一79 GHz的規格是用來避免在前面的77 GHz的干擾。

后角雷達模塊也正在從離散型轉向以晶元為導向的解決方案。「射頻CMOS在與MCUs的集成方面市場很有興趣。這並不是針對遠程雷達的，而是針對角落雷達的，在那裡他們需要更小，而且成本更敏感。」威爾遜說。

對於這個模塊，OEM廠商有幾個選擇。如上所述，TI採用45納米射頻CMOS技術提供晶元組。然後，在另一種方法中，ADI和Renesas正在開發一種使用28nm RF CMOS工藝的77/79 GHz雷達設備。

與此同時，在另一種選擇中，GlobalFoundries提供了22nm FD-SOI技術，這種技術在襯底中加入了一層薄薄的絕緣層，以抑制泄漏。

就像分散的CMOS一樣，FD-SOI技術使晶元製造商能夠集成各種組件，包括雷達晶元。所以，這也解決了另一個問題。「一個雷達單元的功耗已經相當高了。如果你帶來更多的雷達設備，熱管理就會成為一個大問題，」GlobalFoundries的產品線管理高級主管Bert Fransis說。「分散的CMOS還沒能解決這一問題。但使用FD-SOI技術，你可以將每個雷達解決方案的功耗降至1瓦以下。」

當然，傳統的選擇是使用獨立的 SiGe基收發「SiGe基的短程和遠程雷達解決了汽車雷達的需求，」Amol Kalburge說，托爾爵士樂公司的戰略營銷高級總監。「使用SiGe最重要的參數是將功率放大器的功率放大器和低雜訊放大器集成在同一晶元上，從而獲得最佳性能和更低的成本。」

正如前面提到的，雷達有一些優點和缺點。雷達能很好地探測高解析度的物體。但是雷達不能辨別出那個物體。例如，它不能分辨出這個物體是人還是狗。雷達需要攝像頭，這有助於了解周圍環境。因此，需要快速的圖形處理和深度學習。

Kalburge說:「例如，雷達在惡劣的天氣條件下(雨、霧、雪)要遠得多，而激光雷達則可以對周圍的環境進行詳細的3D掃描，以探測和分類靜止和移動的物體。」「雷達感測器是相當緊湊和成本高效的，因此大多數OEM廠商都採用了這種感測器。目前的汽車雷達解決方案的解決方案有時對完全自主的應用程序來說是不夠的，但目前正在開發新的硬體和軟體解決方案，以提高解析度。」

事實上，該行業正在研發下一代雷達。一個目標是縮小與激光雷達的解析度差距，甚至取代激光雷達。「在未來，你將看到激光雷達和雷達之間的競爭，」GlobalFoundries的Granger說。

在研發方面，Imec正在開發140 GHz的雷達技術。還有一些人正在研製成像雷達。「雷達正在不斷改進，」國家儀器公司的技術市場專家馬庫斯門羅說。「新的天線設計和先進的處理演算法賦予了雷達新的功能，允許它在以前沒有使用過的地方使用，比如行人探測。」

那麼什麼是成像雷達?「成像雷達是雷達的一個應用，它可以利用雷達的反射能量產生二維或三維圖像，通過快速產生雷達脈衝。這在航空航天工業中已經應用了很多年，比如土地測繪和天氣。它還沒有被用於汽車雷達，可能是由於電源和數據處理的限制。」夢露說。

圖4:高解析度雷達與激光雷達。來源:NXP

激光雷達是什麼?

激光雷達繼續取得進展。門羅說:「激光雷達也在經歷成本削減、向固態和新的連續波形的變化。」

激光雷達與自動駕駛有關，但它並不局限於這些應用。「你正在發現激光雷達被應用融合了攝像頭和雷達的ADAS車上，」激光雷達供應商的首席技術官Anand Gopalan說。

這項技術不同於雷達。Gopalan說:「在激光雷達中，你正在發射一系列的光脈衝，並測量飛行時間的飛行時間。」「你正在創造一個三維的，高解析度的地圖，你周圍的世界。」

激光雷達有各種各樣的技術挑戰。它也很昂貴，有幾個移動部件，但這已經開始改變了。一般來說，攝像頭的售價為30美元，而激光雷達的售價為3000美元，但據據Yole說，一些激光雷達系統正在向300美元的價位下移動。

根據弗羅斯特和沙利文的說法，有三種方法分別是:機械、MEMS和混合固態。根據該公司的說法， MEMS激光雷達被用於高端工業市場，而基於記憶的解決方案正在興起。

隨後，許多公司都在致力於更小型、更緊湊的固態激光雷達系統。固態激光雷達幾乎沒有任何移動部件。

圖5:光差的激光雷達系統

激光雷達使用了幾個關鍵部件，即激光二極體、光電探測器和處理元件。

使用激光二極體，激光以90納米波長的形式發射光脈衝。根據弗羅斯特和蘇利文的說法，激光發射了100萬光子，但問題是只有一個光子返回到系統中。

因此，激光雷達的製造者們吸收了幾束激光，有時多達64個，以增加光子的數量。根據該公司的說法，發送十億光子的激光會產生1000個返回的光子。一旦光子發射出去，它們就會反彈。然後，光電探測器感知並捕捉在一個狹窄或360度視野範圍內的返回信號。陽光和天氣條件可能會影響探測器的信噪比。

計算給定對象的距離，然後處理數據。「你有複雜的信號處理，它發生在像FPGA或處理器這樣的更密集的處理元素中，」Velodyne』s Gopalan 說。

未來，目標是集成更多的功能以降低成本。「我們正在使用我們自己的ASIC技術，將大量的功能整合到一組ASICs中。這允許更緊密的整合，更小的形式因素，以及成本削減，」Gopalan說。「我們不相信在不久的將來，你將會有一塊硅，它擁有整個激光雷達，但它將會非常接近於這一點。」你將看到一個高度集成的多晶元模塊，它將具有完全功能的激光雷達。」

其他組件也在朝著激光雷達的更多集成方向發展，比如激光二極體驅動。這部分為激光二極體提供電流。

例如，Velodyne使用的是基於高效功率轉換(EPC)的鎵-氮化鎵(GaN)技術的激光二極體驅動晶元。據電子產品公司的首席執行官Alex Lidow說，轉換速度比硅快100倍。

GaN 是用於發電、激光點火和控制的。Lidow說:「由於GaN 的快速轉換速度、高電壓和高電流能力，激光發送的光子包可以更短，每一個脈衝都有更多的光子。」「因此，激光雷達系統可以在有更大的解析度，同時創造一個更快速的周邊環境。」

他說，有許多方法可以驅動激光二極體，但是有兩種主要類型的電容式放電(CD)和FET控制。基於錳的激光二極體驅動器的總成本不到激光雷達系統總成本的5%。他說:「GaN 式晶體管已經被GaN 集成電路所取代，這種集成電路降低了系統成本，提高了性能。」「隨著系統成本的下降，GaN 成本將會下降。」

在Episil的工藝製造基礎上，EPC公司的激光二極體驅動程序基於350納米工藝。它計劃隨著時間的推移遷移到130納米。

另一個關鍵部件是光電二極體，它是一種將光轉化為電流的半導體器件。對於激光雷達來說，有四種主要的光電二極體類型——光電接收二極體、雪崩光電二極體(APD)、單光子雪崩二極體(SPADs)和硅光電倍頻器(SiPMs)。

Gopalan說:「探測器技術的選擇可能會根據波長的選擇而變化。」「在905nm區域，硅APDs仍然是最可靠和最可靠的技術，在增益和提供最優信噪比的能力方面。SiPMs繼續顯示出了希望，但是他們在激光雷達系統層面上的優勢仍然有待證明。」

那麼，這一切將如何在未來發揮作用呢?攝像頭、激光雷達和雷達可能會共存。「我們認為，你不會看到任何一種非此即彼的解決情況。」他繼續補充說:「雷達可以繼續補充和增強激光雷達提供的信息，而且你未來會看到攝像頭將作為第三種形式的感測器。」

原文鏈接：https://semiengineering.com/radar-versus-lidar/

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1445期內容，歡迎關注。

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