智能传感

应有尽有的覆盖,安森美智能感知部门方案集

2025China.cn   2020年10月23日

  面对全球技术智能化发展的巨大浪潮,作为国际芯片与半导体行业巨头的安森美也感知到了这股力量带给市场的新节奏,凭借多年积累的行业应用经验,做出了自己的回应。

  近期,安森美半导体智能感知部全球市场和应用工程副总裁易继辉(Sammy Yi)接受了媒体的采访,并全面介绍了安森美半导体在智能感知应用领域的大量方案和实践经验。

  安森美半导体智能感知部全球市场和应用工程副总裁 易继辉(Sammy Yi)

  紧凑的内部架构

  安森美半导体目前主要分为三个产品部门:电源方案部(PSG),先进方案部(ASG),以及智能感知部(ISG)。易继辉所代表智能感知部的历史其实并不长。

  据易继安介绍,虽然ISG部门从营业额不算虽大,但成长速度确实三个部门中最快的。

  ISG部门可谓是现代图像传感器的发明者,在其发展历程中融合了多家世界顶级厂商的传感器技术,从第一块CMOS传感器开始到27年后的今天CMOS传感器已经获得了广泛的应用。

  三年前,安森美半导体又陆续收购了IBM在以色列的毫米波雷达研发中心,以及专注于飞行时间(ToF)激光雷达传感器开发的爱尔兰SensL公司。

  因此,在图像传感器上,已经拥有行业内最多的成像专利,和最庞大的传感器产品阵容,加上强有力的供应链,安森美半导体每个礼拜销售的芯片产品总数量就超过10亿件。

  发展方向与规划

  智能感知部门主要有三个主要的市场方向:汽车、机器视觉和边缘人工智能。汽车和机器视觉都是较传统的市场。在智能化的进步带动各自领域不同的进步表现。边缘人工智能是新兴市场,主要是由人工智能、5G、IoT等新技术导入后开发出新的应用,发展非常迅速。这是非常有潜力的市场。在这些核心市场上,易继安所在的传感部门已经做了非常长时间的布局和投入。

  安森美半导体在智能感知上都有解决方案。超声波属于另外的产品部门,智能感知部门做成像、毫米波雷达、激光雷达和传感器融合。

  安森美的两大市场分别是,一是汽车成像市场,如驾驶员、乘客、后视、环视、电子后视镜。在全球占>60%的市场份额;二是汽车感知,也就是给人工智能和机器视觉用的感知系统,占全球>80%的市场份额,而且还在逐年扩大。

  能够取得这样的成绩,是因为多年来在技术、产品上的投入和积累,包括对客户市场的信誉,持久性的产品服务和质量可靠性。去年一年在汽车市场销售了近一亿颗传感器,而全球汽车销售量在6,500万辆,平均一辆车有2个摄像头。Hayabusa是一个系列的产品,最近已经上市,它是具有整个市场最高的宽动态效果和第一款具有网络安全功能产品。

  未来的汽车已经不像传统的汽车了, ADAS摄像头、倒车摄像头、环视360度,监控、电子车镜、驾驶员监控、乘务员监控、车内的、毫米波雷达和激光雷达。

  现在最好的汽车感知系统已经远远超过人类的感知,能够分分秒秒、时时刻刻不间断地监控周围环境,这是人类驾驶员远做不到的。而且驾驶员经常会有分心的时候,注意力不集中疲劳的时候,感知系统则不会有这样的问题。

  对汽车自动驾驶功能的要求,已经不仅是需要“可靠的汽车”,而是需要“可信的汽车”。需要在一些紧急情况下能够自己做出判断,自己做决策,自己采取行动。这就是功能安全。所以,功能安全越来越重要。

  网络安全。车联网、智能网联汽车以后会越来越普遍,如果黑客能够进到感知系统其危险性可想而知。所以,网络安全标准在国外,特别是欧洲,已经准备放到政府和行业标准里。

  汽车自动驾驶成像的多样化,包括外部感知、内部感知、增强视觉。

  内部感知,从最早只是对驾驶员的疲劳监控,逐渐地扩大到驾驶员有没有在用手机,有没有分散精力,有没有系好安全带,还进一步扩大到乘客的感知。这也是一个未来新兴市场。

  视觉增强,主要是为了给驾驶员和乘客提供更好的视觉感知,包括电子后视镜,不需要回头就能在后视镜直接看到真正的电子图像;而且这种叠加,特别是把高清地图和真实路况叠加起来,告诉你前面哪里有加油站,哪里有重要的景点,哪里有红绿灯。这些都是视觉增强的应用,让驾驶员能够更安全地驾驶。

  这是一个图像传感器的示意图,未来还有更多芯片可以叠加起来,加上一些更智能化的,包括人工智能都可以直接放在图像传感器里。

  Hayabusa系列产品用了这个技术以后,一次曝光就能实现95dB。经过多次曝光可以达到120dB,未来的平台,下一代的产品一次曝光希望能够达到110dB。多次曝光可以达到140dB,这是世界整个行业中领先的一个指标。

  左图是宽动态不好的情况下,照顾了暗的部分,亮的部分就都失去了。宽动态好的话,不光暗的地方看得非常清楚,在亮的地方,包括红绿灯,前面的车辆都能看得很清楚,这就给人工智能、给算法提供非常准确和全面丰富的信息,可以做出非常准确和安全的判断。因此宽动态是非常重要的。

  另外一个场景大家经常碰到过,它的宽动态范围是102dB。如果传感器只是70dB,这种场景很多地方你看不出来。比如旁边有一个行人,如果传感器的宽动态不够,不到100dB,完全看不出来这有一个行人。所以,安森美的110dB传感器完全可以提供非常详细的信息。

  安森美的产品覆盖面非常广泛,在视觉、自动驾驶、车舱内智能驾舱,边缘计算,毫米波雷达,激光雷达,相应的应用上都有整个系列产品。

  安森美半导体不光只是提供单一的产品,比如图像传感器和信号处理器(ISP),还提供很多其他的器件,包括二极管、LDO、电源管理IC。另一个优势是,在设计新的下一代图像处理器时,可以和其他产品部门合作,来探讨怎么样开发相应的电子产品、器件,使摄像头能够达到最优化。这是其他图像处理器公司没有办法做到的。

  在行业属于第一个先做起生态系合作伙伴系统的公司。目前已经开发超过50家合作伙伴,从光学镜片到信号处理器,I/O、Interface接口、SoC处理器、软件系统,都已经有很多的合作伙伴。

  中国自动驾驶的趋势

  国内一些整车厂推出高端品牌车上,已经有L2、L3的功能。跟国外有一点不同的是,国外的L2、L3也就是先进驾驶辅助系统(ADAS),是由法规和安全标准驱动的。

  L4、L5自动驾驶,现在落地的商业模式基本上很清晰,以前一开始以B2C的形式走消费类,走个人的私家车,但这个现在已经停下来了。基本上就是B2B,先以商业车的模式来落地。目前智能感知系统成本非常高,只有商业车才能承受得这样的成本。商用车主要分为几类,一是自动驾驶的出租车(Robotaxi),国内发展的速度非常快,完全不输美国,且在中国和美国两地都有研发中心。国内现在18个城市发了自动驾驶的许可证,而且将近500辆全自动驾驶的出租车在路上跑,光百度就有将近200辆,发展非常快。

  二是物流机器人,特别是新冠状病毒疫情以后,物流机器人的应用越来越普及,特别是在一些小区、校园、工业园区、医院、机场逐渐开始了很多的应用。

  三是大型商业车。因为高速上很多恶性事故都是因为大的商用车造成的,特别是驾驶员的疲劳。传感器装上以后,360度时时刻刻监控,它的感知能力不亚于驾驶员,因为它没有疲劳的现象。所以商用车自动驾驶已经逐步开始,在美国、欧洲、中国都已经有在路上开始跑的了。之前的市场调查结果显示安森美的市场份额是80%,在中国市场占了90%。

  工业机器视觉和边缘人工智能市场

  一家欧洲的第三方调研公司Yole Development的数据显示,在工业机器视觉领域安森美的市场份额也是第一。工业4.0、工业自动化、人工智能使机器视觉市场快速发展,特别是在国内。边缘人工智能不断地、几乎每年会出现一些新领域,比如新零售,智慧农业、畜牧业和农业都开始了智能化。

  一些新兴设备,特别是在新冠状病毒以后的后疫情时期有一些大的趋势:一是远程化。远程教学、远程医疗会越来越普遍;二是无人化,例如无人送货车、无人商店,减少人和人之间的接触,即无接触化。不需要开门抓手把,不需要去推门,减少一些传染。还有一方面就是COVID-19的检测,安森美现在和世界上很多公司都在合作开发COVID-19病毒检测设备。

  平板检测是整个工业机器视觉行业中,对图像传感器最有挑战性的应用。它从1K、2K、4K一直到8K,像素在逐渐扩大。检测过程分两步:第一步是暗检测,上电前主要检测一些指纹、划痕和其他物理上的问题;第二步是上电以后,特别是在OLED,加上最新的AMOLED(Active Matrix OLED)。LED是有一个亮板在后面作为发光源,而OLED,特别是AMOLED,它的每个像素都是一个单独发光源。像素和像素之间发光的强度和色彩的均匀度都要能够很准确地侦测出来,这就对图像传感器的要求非常高。过去检测LED面板上的1颗像素,对应需要9颗像素(3×3),OLED则对应需要16颗(4×4),甚至25颗(5×5)像素。所以对图像传感器的像素要求越来越高,从4,500万要到1.5亿像素,甚至超过2亿像素。

  再介绍一下过去的大趋势。上图就是1.3英寸固定尺寸的图像传感器在这些年的发展趋势。同样图像传感器的分辨率在逐年提升,从过去的200万像素,500万,800万,1200万,现在达到超过2000万。二是噪声导数,相当于图像质量,在同样大小的尺寸下的图像传感器逐年随着像素的增大,图像质量也是不断地提高。带宽也是在逐年提高。一个很好的例子,29×29mm2标准的工业用摄像头,在十年以前可能只是200万像素,后来逐渐增加到300万、500万、1200万,今年已经能够用到1600万像素。

  在工业制造里,劳动生产率是降低成本很主要的因素,线路板检测的劳动生产率,就是在固定单位时间内所能检测的线路板面积越大,劳动生产效率就会越高。相对图像传感器来讲,单位时间内收集信息量越大,生产效率就越高。我们这一款PCB是2100万像素,竞争对手的是500万像素和1300万像素,安森美的信息采集量比竞争对手能大了4倍,能够成倍地提高劳动生产率。

  最近新的XGS系列图像传感器,从200万像素一直到4500万像素,有11款不同像素的产品。该系列有个最大的特点,就是我们的产品开发战略,客户只需要两块线路板设计就能支撑11款不同的传感器,相对于11个线路板就节省了大量的成本和时间。我们这一系列的产品性能有极大的提高,包括帧数、宽动态、暗电流。另一个也是创造了行业第一的29×29mm2这款摄像头,可以放进1600万这一款传感器,也就是以后的29×29 mm2已经可以用到1600万像素的摄像头。

  这款传感器还有很好的低照度能力,这是0.2勒克斯,几乎非常暗的光线下能够看得非常清楚。

  3D成像、高光谱和多光谱成像都是未来的方向,现有的方案都是在系统上解决。比如3D就是双目,两个摄像头,或者结构光来解决。高光谱、多光谱,是用多个镜头或者多个相机在系统里合成。而安森美团队的想法是在半导体层面用摩尔定律来解决。一旦能够用摩尔定律解决问题,自然就带来了降低成本,缩小尺寸、降低功耗的好处。相位监测在几年前已经开发出来了,就在像素上面做了一些改动,基本上可以在一两米之内做一些深度的检测,同时可以提供深度和色彩信息、图像信息。

  衍射光栅是半导体本身,图像传感器上做一层光栅,使它的相差能够分离出来,形成深度的信息。这个大概在1-5米内精度做到1.1%或2%的高精度,也是同时可以提供色彩、图像信息和深度信息。单光子雪崩二极管(SPAD)和硅光电倍增管(SiPM)是用到ToF。它的好处是光子发出去之后,接收回来能够非常准确的看出远处的物体的距离,能够达到250甚至300米以外的物体。高光谱和多光谱成像方面,我们也是在半导体层面来解决怎样把光谱分离出来。等离子波导滤波片技术分离出来光谱不是那么完整和精确,但是有一些应用场景是适合的。法布里-珀罗(F-P)分光滤光片是在半导体上加了一些反射镜,它可以把光谱非常准确地分离出来,但成本和可靠性都有一些问题。

  另外一款是非常低功耗的,它只有小于2.5mW/s/帧,而且有自动唤醒功能,平时在休眠状态,不耗费任何电,一旦发觉到有物体移动、有人出现,自己会唤醒,是NIR+制程,所以夜间成像效果非常好。它的尺寸也非常小,1/10英寸,成本非常低。这款在去年得到一个年度图像传感器奖。

  激光雷达产品线

  激光雷达的传统用的技术就是APD,叫做雪崩光电二极管。它的缺点是体积大、功耗高、侦测距离范围有限、一致性不好。我们的技术叫做SiPM(硅光电倍增管),优势在于它的增益是APD的1万倍,灵敏度是APD的2000倍,工作电压要求非常低,只要30V,而APD要250V。它的一致性非常好,特别在大批量生产的时候可以批量化。

  同样,安森美公司也是按照传统的产品战略提供整体的、系统的方案。上图是激光雷达功能框架图,是由激光发射源和激光素的发射,激光素的接收、激光的传感器、放大器、点云的形成,功率电源管理、激光驱动器这几大块组成。在激光源、激光素发射、激光素接收的器件上和合作伙伴合作,其他电子线路和激光的接收器则是由自己开发出系统级方案。

  目前,激光产品有单点的,例如在医疗、工业、汽车都有应用,还有新开发出来的阵列,1×12或1×16,下一代的激光雷达都会用到这样的产品。最新开发出来的叫做SPAD面阵,是400×100,已经不是点云了,已经和图像传感器差不多了,相当于是一个图像,将来完全可以实现有深度信息的图像。

  毫米波雷达

  毫米波雷达的适用范围有:L1、L2、L3、L4、L5。在不同自动驾驶的级别上有不同的应用。我们公司下一代毫米波雷达产品的重点是放在L3上。我们的技术叫做“MIMO+”,是我们的专利,新开发出来的技术。它能够提供4D的信息,R是距离,V是速度,A是角度,E是高度,能够提供四维信息,用于L3层级的自动驾驶。

  MIMO+和竞争对手比较,加上实际通道、虚拟通道,比竞争对手多一倍的通道。同样性能的毫米波雷达,可以节省50%的mmIC器件、减少优化控制器、线路板,可以降低总体的成本。也会开发雷达信号处理,对外联接接口是按照行业标准,不管是现有标准还是未来发展标准。

  最道德企业,在所有领域完美发展

  安森美半导体的前身是摩托罗拉半导体,1999年从摩托罗拉拆分出来,2000年在美国纳斯达克上市。现在全球有34,000人左右,2019年总收入约55亿美金。

  安森美半导体已经连续五年获得世界最道德企业,在汽车、机器视觉、边缘人工智能领域已经成为市场领导者,对未来感知领域智能化技术正在持续发力中,不断投入创新和开拓新的领域。

(转载)

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