CMOS毫米波雷達潛力大，加特蘭出爐第二代芯片和模組

　　在“2019年慕尼黑上海電子展”期間，加特蘭微電子科技（上海）有限公司發(fā)布了第二代CMOS毫米波雷達系統單芯片，主要面向汽車(chē)、工業(yè)和消費領(lǐng)域。為此，《電子產(chǎn)品世界》等媒體訪(fǎng)問(wèn)了加特蘭微電子CEO（首席執行官）陳嘉澍先生（左）和運營(yíng)商務(wù)副總裁呂昱昭先生。

    　1 毫米波雷達市場(chǎng)

       據加特蘭提供的資料顯示，雷達市場(chǎng)增長(cháng)迅速（如圖1），其中汽車(chē)應用最大，工業(yè)和消費電子目前市場(chǎng)較小，但增長(cháng)潛力可觀(guān)。

　　車(chē)用毫米波雷達數量之所以增加很快，因為從汽車(chē)ADAS（高級駕駛員輔助系統）到自動(dòng)駕駛的演進(jìn)過(guò)程中，對毫米波雷達的需求量增加（如圖2）。具體地，全球量產(chǎn)車(chē)是每年1億輛，一輛L3以上的車(chē)需要至少5顆以上的毫米波雷達，由此可以算出汽車(chē)的需求量是很可觀(guān)的。如果再算一下潛在的超短距/超聲波的替代，那就再增加1倍的市場(chǎng)。
　　此外，隨著(zhù)毫米波雷達的體積減小、成本降低，在工業(yè)和消費類(lèi)電子中也有巨大潛力。
　　2 CMOS工藝的優(yōu)勢
       如今，77GHz汽車(chē)毫米波雷達的CMOS工藝爆發(fā)期已到。此前，毫米波雷達經(jīng)歷了砷化鎵工藝、SiGe工藝（如圖3），從2017年開(kāi)始流行CMOS工藝。CMOS工藝已被成功地大量運用在手機通信中，諸如Wi-Fi、藍牙、GPS等，每個(gè)細分領(lǐng)域出貨量都超過(guò)10億個(gè)。
　　CMOS的特點(diǎn)是低造價(jià)、集成度高。為此，加特蘭也圍繞CMOS工藝，2017年發(fā)布了第一代77 GHz毫米波雷達射頻前端芯片——Yosemite系列，以及用于工業(yè)和消費電子的60 GHz毫米波雷達射頻前端芯片——系列，涵蓋了從短距、中距到長(cháng)距的一體化解決方案。2019年3月，加特蘭又發(fā)布了第二代產(chǎn)品——Alps系列。

　　那么，CMOS為何比傳統的Bi-CMOS工藝有優(yōu)勢？
　　首先，Bi-CMOS就是SiGe工藝，2007年開(kāi)始就可以做了。Bi-CMOS工藝因為加入了鍺類(lèi)元素，使晶體管更加活躍，所以它的工作頻率可以更高。但是，Bi-CMOS工藝是難以做到大規模集成的，因而無(wú)法集成大量的數字處理能力。
　　第二，Bi-CMOS絕大多數的晶圓是8英寸的，而CMOS很多是標準的12英寸晶圓，所以成本上面CMOS更有優(yōu)勢。
　　第三，CMOS工藝已被大量應用在各種領(lǐng)域，諸如個(gè)人計算、通信等，這些細分領(lǐng)域的年出貨量在幾十億個(gè)。而B(niǎo)i-CMOS工藝的應用局限在一些高頻領(lǐng)域，諸如光通信或一些基站的高速回傳，那些應用領(lǐng)域的年出貨量只有千萬(wàn)級。所以CMOS工藝的經(jīng)濟規模帶來(lái)的成本效應是遠遠超過(guò)其他半導體工藝的，這也是為什么加特蘭想要去用CMOS工藝實(shí)現任何看起來(lái)不太可能實(shí)現的這些應用。加特蘭公司CEO陳嘉澍先生指出：“半導體行業(yè)有一個(gè)規律，任何能用CMOS工藝實(shí)現的產(chǎn)品，最終都會(huì )用CMOS工藝去實(shí)現，并實(shí)現大量普及?！?/p>

　　3 加特蘭的CMOS芯片的設計難點(diǎn)

       既然CMOS有很多顯著(zhù)的優(yōu)勢，例如低成本、高集成度，但是為什么很長(cháng)時(shí)間內并沒(méi)有用來(lái)做77 GHz毫米波雷達？
　　因為在很長(cháng)一段時(shí)間里，由于CMOS的制程所限，使晶體管的速度達不到足夠高的工作頻率。大約從2010年開(kāi)始，CMOS進(jìn)入40 nm之后才具備這種可能性。加特蘭也是在具備了這種可能性之后的第一批挖掘其潛力的公司。
　　加特蘭在毫米波集成電路的設計方面的積累是非常深厚的，從2004、2005年就開(kāi)始研究怎樣用標準的低成本CMOS工藝去實(shí)現高頻的集成電路，以及模塊和系統層面?？梢?jiàn)，雖然加特蘭成立于2014年，但是核心團隊此前的經(jīng)驗積累已超過(guò)10年。
　　那么，加特蘭在研發(fā)過(guò)程中遇到了哪些技術(shù)挑戰？
　　首先是怎樣在標準的數字CMOS工藝上實(shí)現毫米波頻段的電路，并且是一個(gè)完整的系統，包括鎖相環(huán)、發(fā)射機、接收機、混頻器等，并且讓這些系統能夠工作在汽車(chē)所要求的溫度范圍：-40℃到120℃。CMOS工藝是被大量使用的半導體工藝，但是它本身不是為高頻電路、高頻應用設計的，它的最大能力還是在于數字的集成。因此，需要充分了解CMOS工藝的半導體特性，能夠把潛在的工作在高頻的特性能力發(fā)揮出來(lái)，并且做到符合汽車(chē)所要的溫度范圍，同時(shí)會(huì )用大量的數字電路去保護或去增進(jìn)模擬電路的一些短板和缺陷，讓整套系統工作得比用一個(gè)簡(jiǎn)單的工藝要更好。
　　第二點(diǎn)在于第二代Alps不僅有射頻前端，還有整個(gè)雷達信號處理引擎，因此怎樣實(shí)現一個(gè)高性能、低功耗的雷達處理基帶是一大挑戰。加特蘭之所以不用標準DSP的原因也是在于采用硬件加速ASIC的方式可以實(shí)現更高的性能、更低的功耗。當然這要求設計者對毫米波雷達信號處理有充分的認知，這會(huì )涉及大量算法開(kāi)發(fā)的工作，尤其是針對汽車(chē)場(chǎng)景的算法。汽車(chē)的雷達場(chǎng)景和傳統軍用的空中雷達還是很不一樣的。所以，這部分其實(shí)也是一大設計難題，整個(gè)業(yè)界也是處于早期開(kāi)發(fā)的階段。所以，加特蘭投入了很多的精力——怎么樣把整個(gè)雷達信號處理引擎集成到單芯片上，并且和射頻前端無(wú)縫銜接、同步配合工作。
　　4    與激光雷達、攝像頭的關(guān)系

       目前智能駕駛核心的兩個(gè)傳感器是視覺(jué)和毫米波雷達，已經(jīng)被一定程度上應用在乘用車(chē)上面了，也將是未來(lái)L2到L3級別智能駕駛的主力傳感器。
　　激光雷達現在更多的是應用在無(wú)人駕駛測試車(chē)上面，其最大瓶頸還是在于成本非常高，一顆激光雷達的成本可能接近于一輛整車(chē)的成本，在短期內是比較難實(shí)現在乘用車(chē)上裝配的。所以如果看近5年甚至更長(cháng)一段時(shí)間內智能駕駛的普及，最主要是視覺(jué)和毫米波雷達這兩種傳感器的普及。
　　加特蘭聚焦在毫米波雷達這部分，希望通過(guò)提供高集成度、低造價(jià)和易使用的CMOS芯片，能夠讓更多的（汽車(chē)一級供應商）和更多的OEM（整車(chē)廠(chǎng)）盡快導入毫米波雷達傳感器，讓它們不僅僅用于高端車(chē)， 甚至中端車(chē)、低端車(chē)都能用。
　　那么，毫米波雷達與攝像頭的關(guān)系是如何的？實(shí)際上，各種傳感器未來(lái)是共存的。每種傳感器有它的優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。視覺(jué)的優(yōu)點(diǎn)在于信息量大，可以識別車(chē)道線(xiàn)、路牌、標識等。但是就像人眼一樣，視覺(jué)沒(méi)法做到精確地測量距離，而且受光線(xiàn)、天氣影響都比較大。毫米波雷達是基于電磁波的，所以可以是全天候工作的，不受天氣和光線(xiàn)的影響。并且毫米波雷達可以精確地測量距離，例如100米開(kāi)外到底是100米還是101 米。
　　因此，從長(cháng)遠來(lái)看，這些傳感器會(huì )共存，相互發(fā)揮自己的特長(cháng)，彌補對方的短板，因為車(chē)也是需要冗余的。例如車(chē)的AEB（自動(dòng)緊急制動(dòng)）和ACC（自適應巡航）系統通常依賴(lài)兩種傳感器融合，未來(lái)即便一種傳感器有足夠的能力，也需要另外一種傳感器去提供數據的互相檢查，提供足夠的冗余性。

　　5    與超聲波、視覺(jué)的關(guān)系

       超聲波傳感器確實(shí)已經(jīng)被大量地使用了，但是短板也是很明顯的。第一，其測量距離非常有限，可能只覆蓋3到5米。在較長(cháng)距離，例如監控車(chē)流，需要探測幾十米；探測液面高度，也許是幾十米的高度，這方面超聲波是沒(méi)法滿(mǎn)足的。
　　關(guān)于手勢識別，其實(shí)超聲波、視覺(jué)和雷達都能做手勢識別，各自有各自的優(yōu)點(diǎn)和短板。視覺(jué)的短板在于其實(shí)很多手勢識別是消費電子產(chǎn)品，可能有一些隱私的問(wèn)題，用戶(hù)不太希望整個(gè)東西暴露在監控之下。超聲波可以做近距離的探測，但是超聲波的短板在于探頭必須是外露的，這一定程度上會(huì )影響產(chǎn)品的外觀(guān)設計，用戶(hù)會(huì )看到兩個(gè)探頭在外邊，例如倒車(chē)雷達，你可以看到車(chē)上有很多地方打了孔，因為探頭必須曝露在外面。
　　而電磁波的好處在于可以隱藏在設計里面，不破壞整個(gè)外觀(guān)。如果未來(lái)取代超聲波倒車(chē)，車(chē)上根本不用打洞，它可以放在保險杠的后面。而放置超聲波雷達，需要每輛車(chē)的顏色都適配一種。
　　手勢識別也是一樣的，如果是手表或手機，用戶(hù)不希望看到超聲波的探頭，而毫米波雷達可以隱藏在屏幕或者是外觀(guān)的后面。
　　還有一點(diǎn)，超聲波是不能探測方向的，只能知道這個(gè)東西離你多遠，需要多個(gè)超聲波傳感器協(xié)同測量，因此整體方案的復雜度和體積會(huì )增加。
　　那么，毫米波的功耗如何？
　　相比視覺(jué)和超聲波，毫米波雷達是可以做到功耗最低的。因為超聲波要輸出聲波，探測幾米的話(huà)需要非常高的電壓，所以功耗并不低。
　　由于雷達傳感器的應用場(chǎng)景不同，取決了它里面的算法實(shí)現和射頻的配置不太一樣?，F在加特蘭做的適合車(chē)載的Alps芯片是77 GHz的，能探測一二百米的距離，可同時(shí)探測上百個(gè)目標。在消費電子手勢識別的應用里，由于沒(méi)有這么遠的距離探測需求，也不需要探測很多目標，一定程度上是可以簡(jiǎn)化的，因此功耗不會(huì )和汽車(chē)雷達是同一個(gè)量級。
　　6    未來(lái)方向

       加特蘭首先還是聚焦在毫米波雷達傳感器芯片的研發(fā)上，接下來(lái)會(huì )進(jìn)一步提高探測的性能，包括進(jìn)一步針對一些應用進(jìn)行小型化開(kāi)發(fā)，高性能方面還包括目標數量的增多。再有，會(huì )研發(fā)新的射頻芯片部分的架構和模塊，還會(huì )進(jìn)一步開(kāi)發(fā)雷達的算法。
　　7    加特蘭及第二代芯片的背景介紹

       加特蘭微電子2014年成立于上海，創(chuàng )始團隊來(lái)自硅谷海歸。公司擁有毫米波雷達設計自主知識產(chǎn)權和經(jīng)過(guò)驗證的完整車(chē)規級芯片開(kāi)發(fā)流程，是全球第一家量產(chǎn)CMOS毫米波雷達收發(fā)單芯片的公司，也是亞洲第一家通過(guò)車(chē)規認證的77 GHz毫米波雷達芯片公司，全球第一家成功導入前裝車(chē)輛并量產(chǎn)的CMOS- 77 GHz毫米波雷達芯片公司。
　　此次加特蘭發(fā)布了第二代產(chǎn)品——77 GHz的Alps SoC。這一代與之前的產(chǎn)品有很大的提升和變化。最重要的是除了射頻部分的性能提升之外，很大一部分是在數字部分，里面包含了雷達的處理引擎，即有CPU，這樣把數字部分做得更加完善了，優(yōu)勢是可以 縮短客戶(hù)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程；再有，隨著(zhù)集成度的提高，也會(huì )讓整個(gè)芯片包括系統的成本再次下降。
　　另外， 還有基于77 GHz Alps SoC 的Alps AiP(Antenna in Package)產(chǎn)品，其最大特點(diǎn)是把天線(xiàn)/高頻最難做的部分集成到封裝里了，這樣尺寸會(huì )變得更??；另外不需要再做天線(xiàn)的設計，免去了后續的開(kāi)發(fā)和高頻的板材；再有是成本會(huì )進(jìn)一步下降。
　　第三，加特蘭還推出一款產(chǎn)品是60 GHz的AlpsSoC，面向工業(yè)與消費類(lèi)電子，是與加特蘭77 GHz的Alps SoC芯片兼容設計的。
　　加特蘭所有系列的產(chǎn)品都會(huì )在2019 年二季度開(kāi)始供樣，四季度正式量產(chǎn)。

    （注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第26頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處）