車(chē)載固態(tài)激光雷達SPAD陣列SoC設計挑戰及應對之道

/導讀/

由于優(yōu)異的物理特性，激光雷達在車(chē)載多傳感器融合中扮演著(zhù)非常重要的角色，它可以使傳感器系統實(shí)現更好的優(yōu)勢互補，特別是在前融合概念盛行的當下。在多傳感器融合路線(xiàn)中，未來(lái)的自動(dòng)駕駛中激光雷達會(huì )不止一顆，就像今年量產(chǎn)的整車(chē)有一顆、兩顆、三顆、甚至四顆。

南京芯視界微電子科技有限公司（芯視界）聯(lián)合創(chuàng )始人/首席技術(shù)官（CTO）俞坤治博士在分享車(chē)載固態(tài)激光雷達SPAD陣列SoC芯片設計心得時(shí)表示，激光雷達已從過(guò)去多個(gè)分立元件間點(diǎn)對點(diǎn)的機械旋轉發(fā)展到今天多通道芯片間線(xiàn)對線(xiàn)的混合固態(tài)，未來(lái)將朝著(zhù)2D收發(fā)器件間塊對塊的全固態(tài)形態(tài)發(fā)展。隨著(zhù)技術(shù)的演進(jìn)，激光雷達已成為實(shí)現自動(dòng)駕駛/輔助駕駛必不可少的核心傳感器，將在多傳感器融合中扮演重要的角色。

01 激光雷達的作用和演進(jìn)趨勢

激光雷達到底能為自動(dòng)駕駛帶來(lái)什么功能，解決什么問(wèn)題呢？首先是高精電子地圖，利用點(diǎn)頻信息和車(chē)載慣導實(shí)現高清地圖繪制，進(jìn)行點(diǎn)頻匹配后實(shí)現自動(dòng)車(chē)駕駛汽車(chē)的高精度定位；第二個(gè)核心功能是障礙物檢測與分割，利用高精地圖限定感興趣區域（ROI），基于全卷積深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )學(xué)習點(diǎn)頻特征并預測障礙物相關(guān)屬性；第三是根據激光雷達感知數據與障礙物所在車(chē)道的拓撲關(guān)系進(jìn)行障礙物軌跡預測，以此作為無(wú)人車(chē)規劃的判斷依據。因此，激光雷達在物理層面為自動(dòng)駕駛帶來(lái)了一個(gè)更強有力、更直觀(guān)的輸入，在自動(dòng)駕駛中有不可替代的地位。

在俞坤治博士看來(lái)，激光雷達在形態(tài)上一直在變化和演進(jìn)，首先是從機械旋轉逐步轉變?yōu)楝F在的混合固態(tài)，未來(lái)還會(huì )到全固態(tài)，采用OPA或電子可尋址方式實(shí)現無(wú)機械掃描旋轉的激光雷達設計；其次是光源和接收的芯片化演進(jìn)，從開(kāi)始的獨立元件、多元件PCB板堆疊，到幾個(gè)功能芯片的芯片化集成和多通道并行集成，現在2D面陣可尋址VCSEL和面陣接收SoC芯片在不斷推進(jìn)；最后是掃描和數據獲取趨勢的演進(jìn)，從開(kāi)始的點(diǎn)對點(diǎn)測距關(guān)系，到線(xiàn)掃描和數據獲取，再到未來(lái)的區塊對區塊2D可尋址對齊方式掃描。

近年來(lái)，伴隨汽車(chē)應用和市場(chǎng)需求的不斷增加，激光雷達廠(chǎng)商紛紛推出了補盲激光雷達。其主要應用是自動(dòng)駕駛的一些常見(jiàn)場(chǎng)景，如路口轉向、自動(dòng)泊車(chē)、行人與小物體識別。在這些場(chǎng)景中，激光雷達可作為高級別自動(dòng)駕駛的核心傳感器，預計系統中會(huì )采用多顆激光雷達。

02 SPAD SoC技術(shù)推進(jìn)固態(tài)激光雷達進(jìn)展

SPAD（單光子雪崩二極管）是一種具有單光子探測能力的新型圖像傳感器，能夠以極高的時(shí)間分辨率記錄單個(gè)光子的到達?；赟PAD技術(shù)的激光固態(tài)激光雷達具有幾個(gè)主要優(yōu)勢：

一是高靈敏度和高動(dòng)態(tài)范圍。利用SPAD能夠為激光雷達的能量鏈路設計提供更大的冗余度和設計空間，蓋革模式SPAD具有更高的靈敏度，同時(shí)采用TCSPC（時(shí)間相關(guān)技術(shù)）技術(shù)路線(xiàn)，可以使方案具備更高的動(dòng)態(tài)范圍。

二是高集成度，采用3D堆疊和CMOS工藝的SPAD陣列SoC可以將面陣規模做到超過(guò)10萬(wàn)像素級別，甚至可以達到接近百萬(wàn)像素級別，為激光雷達提供大視場(chǎng)、小角度分辨率的設計能力；同時(shí)將感光區域和前端信號處理模塊、后端數字處理模塊集成到一個(gè)芯片中，實(shí)現更小體積方案；并將更多通道集成在SPAD芯片內部，相比傳統方案單位時(shí)間內輸出的點(diǎn)頻數更高，提高了系統幀率。

三是配置靈活，采用SPAD技術(shù)既可以支持1D可尋址VCSEL設計方案，也可配合2D可尋址VCSEL實(shí)現光源設計，靈活配置支持多種系統應用方案。

四是低成本，高集成度、設計靈活度都有助于優(yōu)化BOM成本，另一個(gè)隱性?xún)?yōu)勢是，利用符合車(chē)規要求的電子元件可將研發(fā)周期及可量產(chǎn)性提高一個(gè)數量級，從而進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。

03 SPAD面陣激光雷達的設計挑戰

俞坤治博士指出，基于SPAD陣列的激光雷達傳感器有幾個(gè)設計難點(diǎn)。一個(gè)難點(diǎn)是SPAD器件設計，包括PDE、DCR和Xtalk等器件特性；二是SPAD讀出電路及片上DSP功能，需要SPAD陣列SoC的并行處理能力，以及DSP對激光雷達長(cháng)尾場(chǎng)景的處理能力；三是可靠性和車(chē)規方面的設計要求和設計難度，需要供應商具備管控能力和車(chē)規設計、測試能力。

具體講，SPAD陣列SoC器件設計包括SPAD器件設計及工藝兩個(gè)部分。器件設計首先關(guān)注的指標是間距和尺寸，已決定激光雷達系統中的分辨率和角分辨率；其次是PDE和DCR，決定系統信噪比和系統能力；第三是串擾，它是并行處理方案激光雷達系統中一個(gè)非常關(guān)鍵的系統級參數。此外，還有抖動(dòng)/后脈沖、死區時(shí)間等都是器件設計的難點(diǎn)，需要通過(guò)大量的試驗和驗證證明器件能力。

第二個(gè)難點(diǎn)是工藝，比如邏輯工藝是采用40nm還是28nm，是采用GP還是LL；如何保證3D堆疊后的器件性能穩定；3D堆疊的銅-銅互連、混合鍵合的設計難度。另外，晶圓中每個(gè)片芯的一致性如何，以及同一個(gè)片芯面陣中各SPAD的性能是否一致。最后，在高低溫下器件性能如何達到系統要求，保證一致性和可靠性。

另一個(gè)核心訴求是SPAD讀出和DSP。SPAD讀出電路和DSP是SPAD邏輯電路中的設計核心。SPAD讀出電路包含每個(gè)處理通道所需的電路模塊，如決定陽(yáng)光表現的Quench電路；還有決定芯片最大測量范圍的TDC，以及決定最大可測距離及測量精度的直方圖處理模塊。

每個(gè)通道都需要相應的電路和設計來(lái)保證信號處理的完整性。面陣SoC一個(gè)很關(guān)鍵的參數是可同步并行處理的通道數量，它是SPAD邏輯電路中最核心的設計之一，對內會(huì )受芯片功耗、面積、走線(xiàn)難度、時(shí)鐘樹(shù)設計難度等指標的限制，對外決定系統幀率、點(diǎn)頻、最大測量距離、像素分辨率等系統級設計指標，所以如何權衡并行處理是SPAD SoC的設計核心。

直方圖收集后的片上DSP處理模塊需要具備處理各種場(chǎng)景的能力，包含強反射率、強陽(yáng)光、多級干擾、精度要求、距離精度要求的權衡。DSP和各個(gè)讀出電路之間的匹配關(guān)系也是設計中要考慮的問(wèn)題。

第三個(gè)難點(diǎn)是SPAD陣列SoC的車(chē)規設計。一是器件工藝可靠性方面，最重要的是SPAD高低溫性能的一致性，以及性能的卡控標準和要求；還有車(chē)規要求下3D堆疊工藝、銅-銅互連、混合鍵合的可靠性，特別是封裝可靠性能否達到車(chē)規要求。二是車(chē)規功能安全的開(kāi)發(fā)，與激光雷達強相關(guān)的內容包括SPAD檢測以及核心功能失效判斷模塊，產(chǎn)品封裝和測試也要滿(mǎn)足車(chē)規要求，包括SPAD器件的三溫測試以及卡控標準的設定。

04 SPAD技術(shù)為固態(tài)激光雷達賦能

俞坤治博士認為，SPAD技術(shù)路線(xiàn)能夠提升固態(tài)激光雷達系統的性能，顯性提升方面，包括高靈敏度、高動(dòng)態(tài)范圍帶來(lái)的測遠能力；并行處理能力帶來(lái)的點(diǎn)頻能力；像素集成度帶來(lái)的角分辨率能力，以及陣列級SoC設計在集成度、設計功耗、設計難度、設計成本的改善；使用直方圖TCSPC模型測距精度和測距準度都可以比其他技術(shù)路線(xiàn)有更穩定、更強的信號輸出能力。

隱性提升方面，利用SPAD技術(shù)能夠實(shí)現固態(tài)激光雷達方案，不再有機械旋轉件，減少了系統中的元件個(gè)數，大大提高了系統的可靠性。在成本控制方面，通過(guò)高集成度和小型化設計實(shí)現了激光雷達設計的成本控制。沒(méi)有機械部件及電子元件數量低，可以延長(cháng)激光雷達的使用壽命?？傊?，SPAD技術(shù)對于固態(tài)激光雷達來(lái)說(shuō)是一種有非常強的應用場(chǎng)景相關(guān)性的技術(shù)。

05 SPAD陣列SoC產(chǎn)品亮點(diǎn)

俞坤治博士介紹說(shuō)，芯視界的VI6330 SPAD陣列SoC采用BSI 3D堆疊工藝技術(shù)，具有高PDE能力，采用全局快門(mén)處理模式。芯片內集成的1200個(gè)通道遠大于索尼的SPAD和蘋(píng)果的激光雷達設計。采用低功耗TDC和DSP設計，模組功耗小于150毫瓦，并利用直方圖壓縮和自研的第二代DSP SPAD，能夠為系統提供全直方圖輸出以及信號集成度、背景光能量、噪聲強度、差值距離等DSP設計能力。

產(chǎn)品性能方面，VI6330的一個(gè)20μm間距的SPAD，在940nm 3Vex下，PDE達到20%，DCR達到4cps/μm2，3V過(guò)壓串擾小于0.5，后寄生脈沖達到小于0.1；3×3尺寸面陣的像素一致性達到3%。

06 安全是車(chē)企首要考慮

俞坤治博士強調，在提升可靠性及使用壽命、降低成本的同時(shí)，上車(chē)的產(chǎn)品必須嚴格遵守車(chē)規認證要求。芯視界針對用于車(chē)載補盲固態(tài)激光雷達產(chǎn)品嚴格按照車(chē)規安全標準設計制造并通過(guò)認證。

該芯片具有高靈敏度、高動(dòng)態(tài)范圍、高可靠性、系統簡(jiǎn)單易集成等優(yōu)勢，有助于固態(tài)激光雷達實(shí)現高度集成和小體積，以較低的功耗實(shí)現看得又遠、又快、又準，助力固態(tài)激光雷達早日量產(chǎn)上車(chē)。