智能傳感

應有盡有的覆蓋,安森美智能感知部門方案集

2025China.cn   2020年10月23日

  面對全球技術智能化發展的巨大浪潮,作為國際芯片與半導體行業巨頭的安森美也感知到了這股力量帶給市場的新節奏,憑借多年積累的行業應用經驗,做出了自己的回應。

  近期,安森美半導體智能感知部全球市場和應用工程副總裁易繼輝(Sammy Yi)接受了媒體的采訪,并全面介紹了安森美半導體在智能感知應用領域的大量方案和實踐經驗。

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

  緊湊的內部架構

  安森美半導體目前主要分為三個產品部門:電源方案部(PSG),先進方案部(ASG),以及智能感知部(ISG)。易繼輝所代表智能感知部的歷史其實并不長。

  據易繼安介紹,雖然ISG部門從營業額不算雖大,但成長速度確實三個部門中最快的。

  ISG部門可謂是現代圖像傳感器的發明者,在其發展歷程中融合了多家世界頂級廠商的傳感器技術,從第一塊CMOS傳感器開始到27年后的今天CMOS傳感器已經獲得了廣泛的應用。

  三年前,安森美半導體又陸續收購了IBM在以色列的毫米波雷達研發中心,以及專注于飛行時間(ToF)激光雷達傳感器開發的愛爾蘭SensL公司。

  因此,在圖像傳感器上,已經擁有行業內最多的成像專利,和最龐大的傳感器產品陣容,加上強有力的供應鏈,安森美半導體每個禮拜銷售的芯片產品總數量就超過10億件。

  發展方向與規劃

  智能感知部門主要有三個主要的市場方向:汽車、機器視覺和邊緣人工智能。汽車和機器視覺都是較傳統的市場。在智能化的進步帶動各自領域不同的進步表現。邊緣人工智能是新興市場,主要是由人工智能、5G、IoT等新技術導入后開發出新的應用,發展非常迅速。這是非常有潛力的市場。在這些核心市場上,易繼安所在的傳感部門已經做了非常長時間的布局和投入。

  安森美半導體在智能感知上都有解決方案。超聲波屬于另外的產品部門,智能感知部門做成像、毫米波雷達、激光雷達和傳感器融合。

  安森美的兩大市場分別是,一是汽車成像市場,如駕駛員、乘客、后視、環視、電子后視鏡。在全球占>60%的市場份額;二是汽車感知,也就是給人工智能和機器視覺用的感知系統,占全球>80%的市場份額,而且還在逐年擴大。

  能夠取得這樣的成績,是因為多年來在技術、產品上的投入和積累,包括對客戶市場的信譽,持久性的產品服務和質量可靠性。去年一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,平均一輛車有2個攝像頭。Hayabusa是一個系列的產品,最近已經上市,它是具有整個市場最高的寬動態效果和第一款具有網絡安全功能產品。

  未來的汽車已經不像傳統的汽車了, ADAS攝像頭、倒車攝像頭、環視360度,監控、電子車鏡、駕駛員監控、乘務員監控、車內的、毫米波雷達和激光雷達。

  現在最好的汽車感知系統已經遠遠超過人類的感知,能夠分分秒秒、時時刻刻不間斷地監控周圍環境,這是人類駕駛員遠做不到的。而且駕駛員經常會有分心的時候,注意力不集中疲勞的時候,感知系統則不會有這樣的問題。

  對汽車自動駕駛功能的要求,已經不僅是需要“可靠的汽車”,而是需要“可信的汽車”。需要在一些緊急情況下能夠自己做出判斷,自己做決策,自己采取行動。這就是功能安全。所以,功能安全越來越重要。

  網絡安全。車聯網、智能網聯汽車以后會越來越普遍,如果黑客能夠進到感知系統其危險性可想而知。所以,網絡安全標準在國外,特別是歐洲,已經準備放到政府和行業標準里。

  汽車自動駕駛成像的多樣化,包括外部感知、內部感知、增強視覺。

  內部感知,從最早只是對駕駛員的疲勞監控,逐漸地擴大到駕駛員有沒有在用手機,有沒有分散精力,有沒有系好安全帶,還進一步擴大到乘客的感知。這也是一個未來新興市場。

  視覺增強,主要是為了給駕駛員和乘客提供更好的視覺感知,包括電子后視鏡,不需要回頭就能在后視鏡直接看到真正的電子圖像;而且這種疊加,特別是把高清地圖和真實路況疊加起來,告訴你前面哪里有加油站,哪里有重要的景點,哪里有紅綠燈。這些都是視覺增強的應用,讓駕駛員能夠更安全地駕駛。

  這是一個圖像傳感器的示意圖,未來還有更多芯片可以疊加起來,加上一些更智能化的,包括人工智能都可以直接放在圖像傳感器里。

  Hayabusa系列產品用了這個技術以后,一次曝光就能實現95dB。經過多次曝光可以達到120dB,未來的平臺,下一代的產品一次曝光希望能夠達到110dB。多次曝光可以達到140dB,這是世界整個行業中領先的一個指標。

  左圖是寬動態不好的情況下,照顧了暗的部分,亮的部分就都失去了。寬動態好的話,不光暗的地方看得非常清楚,在亮的地方,包括紅綠燈,前面的車輛都能看得很清楚,這就給人工智能、給算法提供非常準確和全面豐富的信息,可以做出非常準確和安全的判斷。因此寬動態是非常重要的。

  另外一個場景大家經常碰到過,它的寬動態范圍是102dB。如果傳感器只是70dB,這種場景很多地方你看不出來。比如旁邊有一個行人,如果傳感器的寬動態不夠,不到100dB,完全看不出來這有一個行人。所以,安森美的110dB傳感器完全可以提供非常詳細的信息。

  安森美的產品覆蓋面非常廣泛,在視覺、自動駕駛、車艙內智能駕艙,邊緣計算,毫米波雷達,激光雷達,相應的應用上都有整個系列產品。

  安森美半導體不光只是提供單一的產品,比如圖像傳感器和信號處理器(ISP),還提供很多其他的器件,包括二極管、LDO、電源管理IC。另一個優勢是,在設計新的下一代圖像處理器時,可以和其他產品部門合作,來探討怎么樣開發相應的電子產品、器件,使攝像頭能夠達到最優化。這是其他圖像處理器公司沒有辦法做到的。

  在行業屬于第一個先做起生態系合作伙伴系統的公司。目前已經開發超過50家合作伙伴,從光學鏡片到信號處理器,I/O、Interface接口、SoC處理器、軟件系統,都已經有很多的合作伙伴。

  中國自動駕駛的趨勢

  國內一些整車廠推出高端品牌車上,已經有L2、L3的功能。跟國外有一點不同的是,國外的L2、L3也就是先進駕駛輔助系統(ADAS),是由法規和安全標準驅動的。

  L4、L5自動駕駛,現在落地的商業模式基本上很清晰,以前一開始以B2C的形式走消費類,走個人的私家車,但這個現在已經停下來了。基本上就是B2B,先以商業車的模式來落地。目前智能感知系統成本非常高,只有商業車才能承受得這樣的成本。商用車主要分為幾類,一是自動駕駛的出租車(Robotaxi),國內發展的速度非常快,完全不輸美國,且在中國和美國兩地都有研發中心。國內現在18個城市發了自動駕駛的許可證,而且將近500輛全自動駕駛的出租車在路上跑,光百度就有將近200輛,發展非常快。

  二是物流機器人,特別是新冠狀病毒疫情以后,物流機器人的應用越來越普及,特別是在一些小區、校園、工業園區、醫院、機場逐漸開始了很多的應用。

  三是大型商業車。因為高速上很多惡性事故都是因為大的商用車造成的,特別是駕駛員的疲勞。傳感器裝上以后,360度時時刻刻監控,它的感知能力不亞于駕駛員,因為它沒有疲勞的現象。所以商用車自動駕駛已經逐步開始,在美國、歐洲、中國都已經有在路上開始跑的了。之前的市場調查結果顯示安森美的市場份額是80%,在中國市場占了90%。

  工業機器視覺和邊緣人工智能市場

  一家歐洲的第三方調研公司Yole Development的數據顯示,在工業機器視覺領域安森美的市場份額也是第一。工業4.0、工業自動化、人工智能使機器視覺市場快速發展,特別是在國內。邊緣人工智能不斷地、幾乎每年會出現一些新領域,比如新零售,智慧農業、畜牧業和農業都開始了智能化。

  一些新興設備,特別是在新冠狀病毒以后的后疫情時期有一些大的趨勢:一是遠程化。遠程教學、遠程醫療會越來越普遍;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。不需要開門抓手把,不需要去推門,減少一些傳染。還有一方面就是COVID-19的檢測,安森美現在和世界上很多公司都在合作開發COVID-19病毒檢測設備。

  平板檢測是整個工業機器視覺行業中,對圖像傳感器最有挑戰性的應用。它從1K、2K、4K一直到8K,像素在逐漸擴大。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,特別是在OLED,加上最新的AMOLED(Active Matrix OLED)。LED是有一個亮板在后面作為發光源,而OLED,特別是AMOLED,它的每個像素都是一個單獨發光源。像素和像素之間發光的強度和色彩的均勻度都要能夠很準確地偵測出來,這就對圖像傳感器的要求非常高。過去檢測LED面板上的1顆像素,對應需要9顆像素(3×3),OLED則對應需要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。

  再介紹一下過去的大趨勢。上圖就是1.3英寸固定尺寸的圖像傳感器在這些年的發展趨勢。同樣圖像傳感器的分辨率在逐年提升,從過去的200萬像素,500萬,800萬,1200萬,現在達到超過2000萬。二是噪聲導數,相當于圖像質量,在同樣大小的尺寸下的圖像傳感器逐年隨著像素的增大,圖像質量也是不斷地提高。帶寬也是在逐年提高。一個很好的例子,29×29mm2標準的工業用攝像頭,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,今年已經能夠用到1600萬像素。

  在工業制造里,勞動生產率是降低成本很主要的因素,線路板檢測的勞動生產率,就是在固定單位時間內所能檢測的線路板面積越大,勞動生產效率就會越高。相對圖像傳感器來講,單位時間內收集信息量越大,生產效率就越高。我們這一款PCB是2100萬像素,競爭對手的是500萬像素和1300萬像素,安森美的信息采集量比競爭對手能大了4倍,能夠成倍地提高勞動生產率。

  最近新的XGS系列圖像傳感器,從200萬像素一直到4500萬像素,有11款不同像素的產品。該系列有個最大的特點,就是我們的產品開發戰略,客戶只需要兩塊線路板設計就能支撐11款不同的傳感器,相對于11個線路板就節省了大量的成本和時間。我們這一系列的產品性能有極大的提高,包括幀數、寬動態、暗電流。另一個也是創造了行業第一的29×29mm2這款攝像頭,可以放進1600萬這一款傳感器,也就是以后的29×29 mm2已經可以用到1600萬像素的攝像頭。

  這款傳感器還有很好的低照度能力,這是0.2勒克斯,幾乎非常暗的光線下能夠看得非常清楚。

  3D成像、高光譜和多光譜成像都是未來的方向,現有的方案都是在系統上解決。比如3D就是雙目,兩個攝像頭,或者結構光來解決。高光譜、多光譜,是用多個鏡頭或者多個相機在系統里合成。而安森美團隊的想法是在半導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。相位監測在幾年前已經開發出來了,就在像素上面做了一些改動,基本上可以在一兩米之內做一些深度的檢測,同時可以提供深度和色彩信息、圖像信息。

  衍射光柵是半導體本身,圖像傳感器上做一層光柵,使它的相差能夠分離出來,形成深度的信息。這個大概在1-5米內精度做到1.1%或2%的高精度,也是同時可以提供色彩、圖像信息和深度信息。單光子雪崩二極管(SPAD)和硅光電倍增管(SiPM)是用到ToF。它的好處是光子發出去之后,接收回來能夠非常準確的看出遠處的物體的距離,能夠達到250甚至300米以外的物體。高光譜和多光譜成像方面,我們也是在半導體層面來解決怎樣把光譜分離出來。等離子波導濾波片技術分離出來光譜不是那么完整和精確,但是有一些應用場景是適合的。法布里-珀羅(F-P)分光濾光片是在半導體上加了一些反射鏡,它可以把光譜非常準確地分離出來,但成本和可靠性都有一些問題。

  另外一款是非常低功耗的,它只有小于2.5mW/s/幀,而且有自動喚醒功能,平時在休眠狀態,不耗費任何電,一旦發覺到有物體移動、有人出現,自己會喚醒,是NIR+制程,所以夜間成像效果非常好。它的尺寸也非常小,1/10英寸,成本非常低。這款在去年得到一個年度圖像傳感器獎。

  激光雷達產品線

  激光雷達的傳統用的技術就是APD,叫做雪崩光電二極管。它的缺點是體積大、功耗高、偵測距離范圍有限、一致性不好。我們的技術叫做SiPM(硅光電倍增管),優勢在于它的增益是APD的1萬倍,靈敏度是APD的2000倍,工作電壓要求非常低,只要30V,而APD要250V。它的一致性非常好,特別在大批量生產的時候可以批量化。

  同樣,安森美公司也是按照傳統的產品戰略提供整體的、系統的方案。上圖是激光雷達功能框架圖,是由激光發射源和激光素的發射,激光素的接收、激光的傳感器、放大器、點云的形成,功率電源管理、激光驅動器這幾大塊組成。在激光源、激光素發射、激光素接收的器件上和合作伙伴合作,其他電子線路和激光的接收器則是由自己開發出系統級方案。

  目前,激光產品有單點的,例如在醫療、工業、汽車都有應用,還有新開發出來的陣列,1×12或1×16,下一代的激光雷達都會用到這樣的產品。最新開發出來的叫做SPAD面陣,是400×100,已經不是點云了,已經和圖像傳感器差不多了,相當于是一個圖像,將來完全可以實現有深度信息的圖像。

  毫米波雷達

  毫米波雷達的適用范圍有:L1、L2、L3、L4、L5。在不同自動駕駛的級別上有不同的應用。我們公司下一代毫米波雷達產品的重點是放在L3上。我們的技術叫做“MIMO+”,是我們的專利,新開發出來的技術。它能夠提供4D的信息,R是距離,V是速度,A是角度,E是高度,能夠提供四維信息,用于L3層級的自動駕駛。

  MIMO+和競爭對手比較,加上實際通道、虛擬通道,比競爭對手多一倍的通道。同樣性能的毫米波雷達,可以節省50%的mmIC器件、減少優化控制器、線路板,可以降低總體的成本。也會開發雷達信號處理,對外聯接接口是按照行業標準,不管是現有標準還是未來發展標準。

  最道德企業,在所有領域完美發展

  安森美半導體的前身是摩托羅拉半導體,1999年從摩托羅拉拆分出來,2000年在美國納斯達克上市。現在全球有34,000人左右,2019年總收入約55億美金。

  安森美半導體已經連續五年獲得世界最道德企業,在汽車、機器視覺、邊緣人工智能領域已經成為市場領導者,對未來感知領域智能化技術正在持續發力中,不斷投入創新和開拓新的領域。

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