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陈嘉澍:车载毫米波雷达市场未来发展的三大趋势

来源:汽车商业评论(张南)11月30日 14:00

撰文 / 张 南
编辑 / 黄大路

2022年11月10日下午,加特兰微电子创始人兼CEO陈嘉澍出席2023中国汽车供应链峰会,为峰会带来关于车载毫米波雷达发展的三大趋势的分享。

第一,他认为车载毫米波雷达会有低成本的趋势。这是主动安全和辅助驾驶系统全面普及的重要的前提。毫米波雷达这个器件的降本需要做两方面的工作,首先是物料成本变低;二是开发周期缩短、开发难度以及开发投入同时降低,这是毫米波雷达降本的基本条件。

第二,4D成像,这主要服务未来的L3、L4以上的自动驾驶系统,毫米波雷达的优势在于能耐提供除视觉、激光之外的真实的传感器的冗余。

第三,更加小型化和低功耗。这个趋势是最近几年才呈现出来的,主要应对服务最新出现的一些新兴的超短距车身内外的应用。

以下是陈嘉澍的演讲实录,略有删节。

大家下午好!我今天给大家分享一下半导体技术创新如何推动车载毫米波雷达普及。

首先介绍一下我们加特兰微电子,如果用一句话形容,可以说我们是全球CMOS毫米波雷达芯片领军者。为什么这么说?我们量产的是全球范围内第一颗基于纯硅CMOS工艺的77GHz/60GHz雷达收发机单芯片(2017年),我们也同时量产了世界上第一颗77GHz/60GHz的AIP(封装集成天线的雷达SoC芯片),这是在2019年。

我们今天仍然是中国唯一一家量产供应车规级77GHz雷达芯片的企业。我们成立于2014年,到现在差不多十年时间,总共员工数量超过400人,服务全国400多家客户,我们的知识产权申请也是比较多的,已经布局了三百多件知识产权,在全球范围内6个城市设有办公地点。

简单回顾一下我们的发展历程。

2014年成立之后,经过三年时间的研发,在2017年时推出了全球范围内首款基于纯硅工艺的77GHz雷达收发机单芯片“Yosemite”,加上一年时间的努力,和下游的雷达系统合作伙伴共同突破下,2018年正式把这个技术导向了前端乘用车,那款车当时也是第一颗用上纯硅的77GHz毫米波雷达收发机的量产车型,同时我们也推出了一个60GHz的毫米波雷达收发芯片“Yellowstone”,这个主要是服务于一些非车用的市场,包括工业消费、轻型的应用场景。2020年我们算国内第一批获得德国TUV颁发的功能安全ISO26262管理体系认证的企业。

2021年我们推出了第二代产品,在收发机的基础上进一步做集成,推出CMOS SoC芯片AIps和Rhine。AIps芯片应该是国内第一颗完全符合ISO26262功能安全标准的芯片产品,2022年我们在AIps这个平台上,这个平台已经被市场接受,并且被认为是比较成功的,我们进一步推出AIps-pro和Rhine-pro产品,同时针对成像雷达新兴的趋势推出了新的平台Andes平台,今年我们算国内首批获得ISO21434汽车网络安全管理体系认证的芯片企业。

第二,市场上的表现。

可以说,我们基本上进入到了国内大部分的主流乘用车车企,包含新能源车企、传统自主品牌车企,也包含一些合资车车企。我们今天有20多家整车合作伙伴,总共有超过150款车型,已经使用了我们加特兰的CMOS毫米波雷达技术,累计芯片出货量今年已经突破了600万颗,也就是应该有几百万辆车用上了我们的CMOS毫米波雷达技术和产品。

第三,毫米波雷达的独特优势。

毫米波雷达这几年发展和普及速度还是挺快的,它有一些什么特别的优势,相比于其他的环境传感器。它有几个比较有意思的优点:

(1)它是唯一一个可以全天候工作的传感器,不受天气或者是光线的情况影响,这是有别于所有基于光传感器的。

(2)它是唯一一个精准实时测速的传感器,也就是说微波的信号和物体实时速度是多少立刻可以测量出来,不需要多帧的计算,并且速度测量的精度和目标所在的距离没有关系,即便在几百米以外,速度的测量精度也是非常高。

(3)它还具备非常长距离,通常可以达到300米以上的探测距离以及毫米波雷达安装并不影响车辆外观。

所以,因为这一系列的优势,毫米波雷达基本上已经成为主动安全系统必不可少的传感器。整车系统逐渐从以往的被动安全(车辆发生碰撞之后尽可能地减少人员的伤亡)逐渐转向主动安全,紧急的时候尽可能避免碰撞的发生。在做这样一个被动到主动的变化,我们认为未来无论自动驾驶是否普及,或者普及率有多高,主动安全系统都会和被动安全系统一样,成为每辆车的标配,也就是说毫米波雷达这个全天候工作的传感器会和安全气囊、安全带一样,出现在每辆车上。

根据国际上比较权威的市场调研机构的报告,大家可以看到,五年后毫米波雷达也会成为整个车用传感器里面半导体价值最高的。

第四,从我们公司角度看车载毫米波雷达市场未来发展的三大趋势。

其一,变得更加Economic,更加经济实用,讲得直接一点成本更低,这是主动安全和辅助驾驶系统全面普及的最重要的前提。毫米波雷达这个器件让它变得成本更低需要做两方面的工作,首先是物料成本变得更低,电子器件、模组、测试这些要变得更加便宜。第二,非常重要的可能通常大家会忽略的是开发周期、开发难度、开发投入,都要变得更低,只有做到这两点才能让毫米波雷达成本变得更低。

事实上毫米波雷达作为一个车用传感器,历史已经很久了,已经有30年历史,早期九十年代的时候,这里面的射频器件因为它工作频率很高,所以都是采用化合物半导体,通常需要7~8颗的射频芯片才能完成整个收发机前端,那时候整个毫米波雷达的结构非常复杂,成本非常高昂。到2000年之后逐渐转向硅工艺,原来十几颗芯片变成了三、四颗芯片,成本得到了一定程度的下降。直到2017年推出CMOS方案之后,射频部分已经不是系统里面最昂贵的部分了,反而处理器变得成本相对比较高。今天我们看到的所有项目,大家都会采用CMOS的单芯片了,这绝对是成本和开发方面是最优的,相比于二三十年前毫米波雷达的物料成本下降了80%以上,这是半导体创新带来的好处。

我们针对这一大趋势,也就是更加经济实用让主动安全辅助驾驶普及这个趋势推出的产品就是AIps平台。AIps平台集成了这一系列比较有竞争力的feature,包括非常低功耗的收发机,一个完整的雷达信号处理机带,这个雷达信号处理机带加速器可以完成全流程的毫米波雷达信号处理,不需要依赖DSP或者FPGA。同时,它也集成了系统所必要的一些功能安全的处理器以及车载的网络接口。通过我们在收发机以及雷达信号机带加速器非常特别的架构设计,AIps平台上的产品取得了业界最低的功耗和最小的面积,对客户来讲很多应用场景或者是选择方面是非常重要的考量点。

我们要将整个开发成本、开发难度、开发投入降低,从我们的角度来看,我们做了一件事情,在芯片开发的同时也推出了完整的基于我们自己芯片的雷达解决方案。举一个例子,我们最新的AIps-pro这个产品同步开发和推出的AIps-pro前雷达和角雷达方案,当我们给客户交付我们的芯片产品的时候,我们同时交付前雷达和角雷达解决方案,当然也尊重客户的选择,选择其中一部分或者完整的方案都是可以的。我们在开发和定义整体解决方案的时候,基本上是看齐海外第五、第六代最新的毫米波雷达整体指标参数,如果大家仔细看的话,里面无论是探测距离、探测精度,这些方面都已经达到了甚至是超越海外最新的这一代产品。

给大家看一个视频,我们推出芯片产品以及解决方案之后,能直接拿到的这些最终的结果,这是一个基于AIps-pro前雷达的方案,这个前雷达探测距离达到了240米,单芯片2瓦左右功耗可以实现240米的稳定探测。这已经是4D的雷达,只是显示是3D,对于高架有高度的物体的探测已经没有任何问题了 。对于边道场景的刻画都是非常清晰的。

还有另外一个角雷达方案,相比前雷达来讲,探测距离略微短一些,大概在180米,但是FOV会更广。这个演示是装在前角45度安装,事实上角雷达大部分的需求还是来自于后角,也就是变道辅助。可以看到,我们在多目标场景下的跟踪、检测,都是非常稳定的。

其二,4D成像。它主要服务未来的L3、L4以上的自动驾驶系统,同时希望能够提供除了视觉、激光之外的真实的传感器的冗余。4D成像雷达对芯片提出了什么要求?大致要求主要分两块:一个是更加灵活的架构,为什么需要更加灵活的架构?因为4D成像雷达现在的技术路线并没有收敛,整个业界处于开放式的百花齐放的状态,无论是波形设计、MEMO体制设计、信号处理流程,包括通道数量每家都不太一样,从芯片角度你需要支持各家不同的波形设计,不同MEMO的体制、不同信号处理流程,需要比较灵活的架构。

另外需要芯片提供更多的虚拟通道和更强大的运算能力(专用的运算能力),因为成像雷达和传统的3D或者入门级的4D雷达相比,最大区别还在于它有更多的虚拟通道数量。只有更多的虚拟通道存在,才可以有更高的角度分辨率,从芯片角度需要提供更多的收发通道以及配合上收发通道原始数据的处理能力。

针对4D成像对芯片提出的要求,我们推出的解决方案或者是推出的平台叫“Andes”平台,这是一个22纳米的CMOS的SoC,事实上也是业界第一颗22纳米毫米波雷达的完整的SoC。它的收发机性能相比于上一个AIps平台收发机性是有明显的提升,尤其是它的有更高精度移相器,达到了7比特,是业界移相精度最高,可以支持更多虚拟通道的移相,同时采样率达到了60兆,比之前提高了20%左右。

同时,我们自研了一个雷达信号处理器,它是一个非常灵活的调度器,基于调度器可编程的处理器,配上通用的CPU和DSP,它拥有非常强大的专用雷达信号处理的能力。最后我们提出了灵活之间的方式,通过这种灵活的特性,给客户你想想用多少通道,想用多少运算能力都可以实现。

我们花了几年时间研发雷达信号处理器,它基本上基于一个调度器,可以对这个处理器进行编程,调度器里面可以执行支持一系列必要的指令。除了调度器之外,这个RSP集成了非常多的雷达信号处理常用的功能,包括FFT、CFAR、DOA这些功能,我们也集成了一些最先进的算法,包括SVA、CQM、BWE的加速,同时也集成了一些相对通用的算子,包括统计模块、制方图,还有层加模块等等。

前面提到如何响应市场提出的更多虚拟通道以及更多算力这样的需求,我们提出的方式和技术路线叫做“Flexible Cascading”灵活级联。也就是我们在SoC上设计了一个C2C的interface,也就是说两颗芯片之间除了射频采样同步之外,我们可以进行高速的数据交互,这样的话两颗芯片或者更多芯片的运算和存储自研就可以被互相利用起来,这个C2C的interface每颗芯片上面都可以达到5个G以上的数据力,同时有两路。如何使用也是灵活的,你需要两颗芯片级联,三颗也可以,你甚至可以有更多的级联芯片,本质上没有级联芯片数量的上限。

由于这个C2C的接口采用AXI的底层协议,从用户软件使用角度来讲,两颗芯片级联之后,就和一颗大芯片没有什么本质的区别。如图所示,当你有Flexible Cascading之后,可以实现分布式处理,在必要的时候进行数据交换,这些数据交换就用我们的C2C link来实现。

其三,更加小型化和低功耗。这个趋势是最近几年才呈现出来的,当然和我们提出的特别的技术和产品也有很强的关联性。主要应对服务最新出现的一些新兴的超短距车身内外的应用,有哪些新兴的超短距车身内外应用?

车身外,主要有趣的应用是自动开合门的避障,现在有很多新的电动车会配备自动开合门,这需要避障,你不希望它自动开的时候撞到边上的障碍物,事实上边上障碍物的形状、特点千奇百怪。传统的超声波无法应对这种场景,现在市面上大量上的自动开合门,背后都是用我们的毫米波雷达技术实现的。除此之外,未来可能会有新的应用是自动泊车的场景,前面提到相比于传统的超声波雷达,4D毫米波雷达或者毫米波这种技术,它能够提供更加精准的4D测量,形成周围短距内,可能5~10米内非常丰富的点云,但是它又对车身的造型没有影响,它可以隐藏在保险杠的后面,不像超声波或者激光需要挖一个洞或者比较突兀,这一点它是有优势的。

车身内有一些什么样的新兴应用场景呢?一大应用场景就是后排的儿童遗留的探测CPD,这个功能在欧洲已经成为E-NCAP五星标准的必备项。除此之外,还有安全带的提醒,传统安全带提醒可能靠压力传感器,但是当你有了毫米波雷达在车身内探测后面的儿童是否遗留的功能以外,还能实现精准的定位,每个座位上是不是有人在,这是我们开发的新功能。除此之外,它何以对驾驶员的生命体征,包括心跳、呼吸进行比较精准测量,甚至于有些前沿的技术,我们也在跟合作伙伴一起开发驾驶员的快要睡着的预测,通常如果已经睡着了就太晚了,我们想看是不是能够通过生命体征的特点,能够提早3~5分钟预测你可能要进入睡眠状态。

相比于摄像头来讲,毫米波雷达在车身内的应用好处是,第一它没有隐私的顾虑,第二对于非视线范围内物体的探测,比如婴儿是在毛毯下面,或者儿童安全座椅倒装在后面的座位上,或者有些宠物在后排座位下面的休息区,这时候摄像头不一定能看到,但是对于雷达来讲,因为它的反射路径很丰富,只要能探测到微动,就可以探测到有生命的存在。最后对生命体征探测天然就是雷达的优势。

我们针对新兴的车身内外的超短距的应用提出的产品叫AiP(Antenna-in-Package),本质上它就是将毫米波的MEMO、天线阵列和SoC进行3D集成,这样做的最大好处是可以将这个模组做得非常小,原来平面集成的时候,一块是芯片,一块是天线,平面面积比较大,3D集成之后,东西就可以做得非常小。

基本上用AiP形成的毫米波雷达体积跟一个超声波雷达大小差不多,所以非常便于安装。其次从成本上来看,因为你不再需要昂贵的PCB板材,你的高频天线在封装层面已经实现了,所以从整体成本来讲会更低,其次开发难度很低,客户不需要做任何射频开发,就可以推出这样一个完整的毫米波雷达的传感器。

基于我们的AiP技术,我们已经定点了大概50款车型,包括自动开合门避障,也包含了舱内后排儿童遗留探测,我们的出货量已经接近了100万颗。我们认为未来可能还会有的应用场景就是自动泊车,虽然现在自动泊车在很多车上已经普及了,用的是摄像头加上超声波的技术,但还是有很多复杂的corner case,边边角角场景当前技术是覆盖不了的,所以我们跟我们的客户德赛西威也做了一个联合的demo,基于AiP的毫米波雷达做泊车车位搜索,这些场景都是以往的传感器技术相对来讲比较难解决的。

首先是相对比较高速的探测,地锁有一个开的,有一个是闭合的,可以清晰地探测出地锁的状态。对于路沿,其实也可以有比较清晰的刻画。相比于超声波,它的探测测量距离更远,基本上10米左右,对于5米开外的灌木丛的探测也是没有任何问题。对于非规则停放车辆探测也是可以刻画得非常清晰的,对于一些木桶、雪糕桶也能刻画出3D轮廓。

前面是我提到的从我们公司经营毫米波雷达芯片这几年下来发现的毫米波雷达在车载应用的三大发展趋势。我们针对这三大趋势拿出了我们非常有竞争力的产品,我们的AIps平台针对经济实用大量普及,我们的AiP针对新兴的超短距的车身内外的应用以及Andes平台针对4D成像雷达。

最后,总结:我们希望通过我们的技术创新、产品的革新,真正能够让毫米波这个黑科技服务每个人每天的生活。谢谢大家。