索尼真要造車了？
就在昨天，索尼在 CES 2022 發(fā)布會末尾一口氣展出了兩款概念車 —— 一個(gè)是去年已經(jīng)露過面的純電轎車 Vision-S，另一個(gè)則是嶄新的純電 SUV Vision-S 02。與去年展示的概念車的內(nèi)外飾設(shè)計(jì)不同，今年索尼以視頻的形式著重展示了概念車型的智能座艙功能，比如 UI 設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，以及手勢交互、人臉識別等具體功能。
▲ 索尼推出的兩款概念車
活動現(xiàn)場，索尼 CEO 吉田憲一郎還表示在 2022 年春季會成立索尼出行公司（Sony Mobility），專注于“探索電動汽車業(yè)務(wù)的商業(yè)化”。
雖然索尼 CEO 沒有明說是否會推出索尼牌的智能汽車，但上述表現(xiàn)顯然預(yù)示著索尼的汽車業(yè)務(wù)已是箭在弦上。
作為全球消費(fèi)電子和娛樂領(lǐng)域巨頭，索尼的影響力和地位有目共睹。但一個(gè)關(guān)鍵問題是，索尼造車的底氣究竟在哪？
答案是傳感器。
早在 2021 年 CES 期間，索尼談到 Vision-S 時(shí)就表示，希望通過自身的 CMOS 傳感器、固態(tài)激光雷達(dá)、傳感器融合等成像、感知技術(shù)為消費(fèi)者帶來安全、可靠、舒適的出行體驗(yàn)。
2021 年 CES 展出的 Vision-S 上有 33 個(gè)傳感器，其中大部分是索尼自研或使用了索尼的技術(shù)。今年 CES 上，傳感器數(shù)量升級到了 40 個(gè)。
這其中有一顆名為 IMX459 的 SPAD（單光子雪崩二極管）激光雷達(dá)傳感器（激光接收芯片）。依托索尼的雙層圖像傳感器堆疊技術(shù)，激光雷達(dá)企業(yè)可以基于 IMX459 造出等效線數(shù)上千的超高清雷達(dá)，讓汽車看得更遠(yuǎn)、更清楚（300 米的感知精度為 15cm），并且還能以更快的速度計(jì)算出距離信息，生成 3D 點(diǎn)云圖像。
▲ 索尼 IMX459
近幾年，激光雷達(dá)行業(yè)技術(shù)革新很快、雙棱鏡、MEMS、OPA、Flash、FMCW 等各種技術(shù)路線不斷涌現(xiàn)，新產(chǎn)品層出不窮，但很多都還是圍繞光路設(shè)計(jì)做優(yōu)化 —— 沒有從本質(zhì)上進(jìn)行升級。
索尼的 IMX459 顯然就突破了現(xiàn)在的創(chuàng)新困境，從最底層的激光接收和信號處理層面進(jìn)行徹底改變，為激光雷達(dá)行業(yè)發(fā)展提供了新的基礎(chǔ)。
IMX459 只是索尼概念車上的四十分之一，如果其它 39 個(gè)傳感器也擁有類似的底層創(chuàng)新，再加上索尼在感知和自動駕駛領(lǐng)域的投資布局，大法想造出來一臺智能電動汽車根本不是問題。
可以說，看懂了 IMX459，你就看懂了索尼造車的底氣。
01. 采用 SPAD 技術(shù) 打造 11 萬像素激光傳感器
激光雷達(dá)即將迎來大規(guī)模量產(chǎn)上車之時(shí)，索尼公布了首顆車規(guī)級激光雷達(dá)接收傳感器 IMX459。這顆傳感器最亮眼之處有兩點(diǎn)，其一是采用對光感知更敏感的 SPAD（單光子雪崩二極管）技術(shù)，其二是這顆傳感器的像素?cái)?shù)量達(dá)到了 11 萬，這是當(dāng)前量產(chǎn)產(chǎn)品難以比擬的。
從結(jié)構(gòu)上看，這顆激光雷達(dá)接收傳感器共有兩層，上層采用了 SPAD（單光子雪崩二極管）技術(shù)，用于感知反射進(jìn)傳感器的激光；下層則是邏輯芯片，使用直接飛行時(shí)間（D-ToF）技術(shù)，就能實(shí)現(xiàn)測距。在性能上，索尼在 1/2.9 英寸的傳感器面積下放進(jìn)了 11 萬個(gè) SPAD 像素，其分辨率為 189x600，呈現(xiàn)出一個(gè)矩形區(qū)域。而每一個(gè) SPAD 像素的尺寸僅為 10 微米 x10 微米。
▲ IMX459 分為上下兩層
說到索尼 IMX459 的王牌，就是那 11 萬像素的 SPAD 傳感器，它相較于傳統(tǒng)激光雷達(dá)傳感器共有兩大優(yōu)勢。其一是感光能力更強(qiáng)，也就是在使用相同激光發(fā)射端的情況下，SPAD 傳感器能感知到更微弱的光，感知距離更遠(yuǎn)；其二是計(jì)算距離的延遲更低，索尼做到了 6 納秒。
要理解 SPAD 感光的邏輯，不得不提到照相機(jī)。數(shù)碼照相機(jī) CMOS 上的一個(gè)個(gè)像素，通過接收大量光子，感知到光線強(qiáng)度，通過控制光子進(jìn)入的數(shù)量，最終實(shí)現(xiàn)正確的曝光并成像。
激光雷達(dá)傳感器的感光元件和數(shù)碼相機(jī)近似，每一個(gè)像素點(diǎn)需要進(jìn)入特定波長的大量光子，才能形成激光雷達(dá)圖像，然后通過一顆計(jì)算芯片算出感知距離。
無論是數(shù)碼照相機(jī)還是激光雷達(dá)傳感器，進(jìn)光量都是“底大一級壓死人”，但車用激光雷達(dá)無論是成本還是體積都非常受限，一味比誰底大并不是最優(yōu)的解決方案。而 SPAD 方案的興起，讓傳感器廠商找到了進(jìn)光量不足的另一路徑。
如果進(jìn)光量不足，加上有干擾光線進(jìn)入，激光雷達(dá)傳感器所成的像就會出現(xiàn)噪點(diǎn)。對于人類而言，一張照片中出現(xiàn)噪點(diǎn)，能通過智慧將噪點(diǎn)內(nèi)容“腦補(bǔ)”齊全。因此為激光雷達(dá)傳感器單獨(dú)配備一顆 AI 芯片，用于噪點(diǎn)、干擾光線處理就是路徑之一。不過，每經(jīng)過一次處理，都會產(chǎn)生一定時(shí)延，如果低時(shí)延的優(yōu)勢被慢慢磨去，自動駕駛的安全性就會降低。
加入 AI 芯片做信號預(yù)處理雖然簡單，但實(shí)際表現(xiàn)可能并不完美。
因此，如果能用微弱的進(jìn)光量“代表”其他光成像，不但能實(shí)現(xiàn)更低的延遲，而且通過成像能得到噪點(diǎn)更少的點(diǎn)云圖。
韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）新一代半導(dǎo)體研究所所長張畯然在一篇文章中闡述了 SPAD 傳感器的工作原理。
▲ 不同類型圖像傳感器在接受光子照射時(shí)電子放大程度
“當(dāng)在 SPAD 上施加比擊穿電壓（breakdown voltage）更高的電壓時(shí)，會發(fā)生碰撞電離現(xiàn)象（Impact Ionization），巨大的電場（electric field）使載流子（carrier）加速運(yùn)動并與原子碰撞，從而使原子中釋放的自由載流子數(shù)量急速增多。這種現(xiàn)象被稱為雪崩倍增（Avalanche Multiplication），會導(dǎo)致圖像傳感器點(diǎn)亮的光子產(chǎn)生大量自由載流子?！彼麑懙?。
這就意味著即便激光發(fā)射單元發(fā)射的激光僅有少量反射回來，通過雪崩倍增現(xiàn)象傳感器仍舊能夠?qū)⒐庾哟罅吭黾?，并且識別為大量的光子。這就意味著，SPAD 傳感器具有非常高的信噪比。
同時(shí)，SPAD 在接收的光子數(shù)量極少的情況下就能完成成像，因此其“快門速度”可以做到非常短，提升感知幀率。
02. 雙層芯片架構(gòu) 響應(yīng)速度遠(yuǎn)超現(xiàn)有產(chǎn)品
索尼除了將 SPAD 技術(shù)逐步推向量產(chǎn)之外，也使用了已經(jīng)打磨多年的一項(xiàng)技術(shù) —— 雙層圖像傳感器堆疊，這項(xiàng)技術(shù)能夠讓感知響應(yīng)速度更快。
在去年 2 月的一次演講中，索尼半導(dǎo)體公司高級經(jīng)理 Oichi Kumagai 對 SPAD 激光雷達(dá)傳感器的技術(shù)路線進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
▲ 索尼 IMX459 結(jié)構(gòu)和單個(gè) SPAD 傳感器
其中，邏輯電路放置在芯片底部，每一個(gè)像素尺寸為 10 微米 * 10 微米。傳感器表面并非完全平整，索尼將每一個(gè)像素點(diǎn)做成了一個(gè)凸透鏡，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的光折射率，提升激光的吸收效果。根據(jù)索尼的測試，這一激光雷達(dá)傳感器在使用 905nm 波長的激光光源時(shí)，光子檢測效率能達(dá)到 24%。
▲ 傳統(tǒng)激光雷達(dá)傳感器點(diǎn)云圖（左）SPAD 傳感器點(diǎn)云圖（右）
此外，由于每一個(gè) SPAD 像素都能與下方邏輯電路通過銅-銅（Cu-Cu）組件連接起來，因此只要光子進(jìn)入 SPAD，就能經(jīng)過雪崩進(jìn)入邏輯電路。從感知到光子，到完成數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，整個(gè)過程只需要 6 納秒，這一表現(xiàn)非常出色。索尼開發(fā)了數(shù)字時(shí)間轉(zhuǎn)換器（TDC），直接能夠?qū)⒐庾语w行時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)值，不需要二次計(jì)算。
▲ 索尼 IMX459 光信號轉(zhuǎn)換電信號僅需 6ns
國內(nèi) MEMS 激光雷達(dá)廠商一徑科技的一位產(chǎn)品經(jīng)理談到，現(xiàn)在市面上其他技術(shù)路線的激光雷達(dá)接收傳感器的延遲已經(jīng)能做到比較低，從感知到生成深度數(shù)據(jù)，基本需要百納秒到幾微秒之間。
然而，索尼的 IMX459 則是更進(jìn)一步，相比此前最優(yōu)秀的產(chǎn)品，也有大幅提升。
IMX459 采用直接飛行時(shí)間（D-ToF）的方式測距，張畯然在其文章中說道，當(dāng)光子進(jìn)入時(shí)，SPAD 陣列會發(fā)射數(shù)字脈沖（Digital Pulse），因此更容易跟蹤光飛時(shí)間。不僅如此，SPAD 還能捕捉精確的時(shí)差，因此具有精確的深度分辨率（depth resolution），精確程度甚至可以達(dá)到毫米級別。
▲ 索尼 IMX459 實(shí)際測試
然而，采用 D-ToF 方式測距帶來了一個(gè)問題，那就是感知距離短。例如，近兩年在 iPhone 和 iPad 上采用的激光雷達(dá)，就采用 D-ToF 方式測距，其感知距離大概僅有 5 米。對一款移動設(shè)備來說，5 米的感知距離絕對夠用，但對自動駕駛來說 5 米不可用。
SPAD 技術(shù)再一次體現(xiàn)了它的優(yōu)勢，在同樣的激光發(fā)射功率下，SPAD 傳感器僅需微弱的光，也能完成成像，并且其效率不輸傳統(tǒng)傳感器硬件。
▲ 索尼 IMX459 在不同條件下的性能表現(xiàn)
索尼還公布了其產(chǎn)品在不同溫度環(huán)境下的性能，其中光子探測效率在-40 攝氏度時(shí)為 14%，隨著溫度增加探測效率不斷上升，超過 50 攝氏度后能達(dá)到 20% 以上，當(dāng)溫度達(dá)到 125 攝氏度時(shí)，探測效率有所下降。
響應(yīng)時(shí)間上的表現(xiàn)更出色，當(dāng)在-25 攝氏度時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為 7 納秒，為最慢響應(yīng)時(shí)間，其他溫度條件下的響應(yīng)時(shí)間還要更快。
03. 上千線激光雷達(dá)不是夢 行業(yè)已有先行者
對于激光雷達(dá)行業(yè)來說，SPAD 技術(shù)可以說是革命性的。主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)，第一是激光雷達(dá)等效線數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大幅度提升，第二是點(diǎn)云處理的步驟可以逐漸淡化。
目前，業(yè)內(nèi)主流傳感器方案是 APD（雪崩光電二極管），隨著技術(shù)發(fā)展，SiPM（硅光電倍增管）和 SPAD 正在進(jìn)入激光雷達(dá)領(lǐng)域。
▲ 不同激光雷達(dá)技術(shù)路線（來自 Oichi Kumagai 演講）
在相機(jī)行業(yè)中，佳能已經(jīng)能做到 100 萬像素的 SPAD 傳感器，并且利用 SPAD 響應(yīng)更快的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的距離測量。未來，激光雷達(dá)接收傳感器能夠像相機(jī)一樣，實(shí)現(xiàn)“像素”數(shù)量不斷增加。一旦像素?cái)?shù)量倍增，激光發(fā)射端可以做更高的線數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的深度信息感知。
▲ 佳能 100 萬像素 SPAD 相機(jī)傳感器
這樣的提升將是 APD、SiPM 等技術(shù)路線難以匹敵的。
激光雷達(dá)還有一大難點(diǎn)就是點(diǎn)云處理，傳統(tǒng)點(diǎn)云處理需要一顆芯片實(shí)時(shí)處理計(jì)算。隨著線數(shù)、頻率、角分辨率的提升，計(jì)算設(shè)備所需算力越來越大，此時(shí)還想保證低延遲輸出，并且和視覺傳感器融合就會愈加困難。
然而，SPAD 傳感器能夠直接輸出光子計(jì)數(shù)，并且輸出飛行時(shí)間，能夠輕松輸出深度圖像。
正因?yàn)檫@兩點(diǎn)原因，索尼等 SPAD 傳感器供應(yīng)商如果能實(shí)現(xiàn)高像素 SPAD 傳感器量產(chǎn)，就能夠改變整個(gè)行業(yè)。
實(shí)際上，索尼并非業(yè)內(nèi)首家使用 SPAD 技術(shù)的傳感器廠商。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，明年即將上車的 ibeoNEXT 激光雷達(dá)，其傳感器就采用了 SPAD 技術(shù)。
▲ ibeoNEXT
與 ibeo 公司合作并推動激光雷達(dá)量產(chǎn)上車的亮道智能，對這顆傳感器有深刻理解。亮道智能一位資深工程師認(rèn)為，SPAD 技術(shù)是純固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)路線上非常重要的技術(shù)架構(gòu)之一。
與此同時(shí)，行業(yè)內(nèi)還有多種測距技術(shù)路線，但這些技術(shù)短期內(nèi)還無法達(dá)到量產(chǎn)節(jié)點(diǎn)。
據(jù)了解，ibeoNEXT 除了能夠輸出 X、Y、Z 的三維坐標(biāo)信息，還能夠利用能量信息顯示環(huán)境圖像。這個(gè)能量信息圖與人們常見的黑白照片 / 視頻類似，可以和激光雷達(dá)的點(diǎn)云信息配合同步輸出。最后，配合車上的攝像頭等其他傳感器，就能夠形成信息冗余。
不過，ibeoNEXT 的像素點(diǎn)僅有 10240 個(gè)，相比索尼 IMX459 的 11 萬相差很遠(yuǎn)。即便索尼用 3*3 進(jìn)行感知，其分辨率仍然更高。根據(jù)前文的分析，像素?cái)?shù)量越多，所成的像越清晰，也就是索尼 IMX459 能實(shí)現(xiàn)更清晰的成像，這才是激光雷達(dá)更重要的意義。
實(shí)際上，除了索尼基于 SPAD 做激光雷達(dá)傳感器之外，相機(jī)廠商佳能也正在布局 SPAD 傳感器，并且做出了 100 萬像素的 CMOS 產(chǎn)品。
04. 結(jié)語：索尼加速智能汽車布局
2020 年的 CES 消費(fèi)電子展上，索尼推出了其電動汽車 Vision S，標(biāo)志著索尼開始布局智能電動汽車。2022 年 CES 上，索尼推出 Vision S-02，進(jìn)一步加碼智能電動汽車。
同時(shí)，索尼多年來影像傳感器、娛樂系統(tǒng)、聲學(xué)等領(lǐng)域的布局，在智能汽車時(shí)代將有更廣闊的發(fā)展前景。索尼在此時(shí)布局智能汽車正當(dāng)其時(shí)，正在加速汽車智能化實(shí)現(xiàn)。
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