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汽车CMOS毫米波雷达的舞台上,中国人从不缺席

根据研究机构预测, 2017-2022年,车载毫米波雷达市场的年复合增长率将达到35%,2022年全球车用毫米波雷达市场规模总计约160亿美元,芯片约达80亿美元。其中,短中距毫米波雷达规模为84亿美金,年复合增长率48%;长距毫米波雷达市值75.6亿美元,年复合增长率为36%……

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CMOS工艺爆发期已到

作为第一家推出汽车CMOS-77GHz毫米波雷达收发芯片公司的首席执行官,加特兰微电子CEO陈嘉澍对《国际电子商情》说,近几年国内做毫米波雷达方案的公司很多,但绝大多数都是以模块形式呈现,国内真正能够做CMOS量产型芯片并上前装车的公司,只有加特兰一家。

他提到的这款上市车型,来自国内一家OEM的SUV车型,支持BSD后方盲点车辆识别警示系统和FCW前车雷达监测防碰撞系统。这意味着,自2018年11月起,12万价位车型首次安装了77GHz CMOS毫米波雷达。

低成本、高集成度是CMOS制程工艺的优势所在,但很长时间内它却并没有被用来制造77GHz毫米波雷达。原因就在于CMOS工艺中的晶体管速度始终无法达到雷达工作频率,只有当CMOS工艺在2010年迈入40纳米时才具备了实现的可能性。

1990-2007年间,毫米波雷达主要采用砷化镓(GaAs)工艺,费用昂贵,多用于高频高功率应用,且由于金属层少,芯片集成度低,需要大量芯片搭建毫米波射频前端(7-8颗MMIC/3-4颗BBIC),导致雷达模块体积和价格不具备吸引力;2007-2017年,锗硅(SiGe)工艺逐渐开始成熟,系统所需射频芯片数量大幅下降(2-5颗MMIC/1-2颗BBIC),雷达体积也逐渐缩小,推动了毫米波雷达在汽车ADAS系统上的应用。但价格仍然较贵(上百美金),除了高端车系,SiGe工艺的77GHz产品还是难以满足大批量应用;而从2017年至今,低造价、高集成的CMOS工艺已经使雷达射频芯片数量减少到1颗MMIC/1颗BBIC。

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汽车毫米波雷达CMOS工艺爆发期已到

“虽然有很多国外半导体巨头在致力于研发毫米波雷达芯片,但坦率地讲,在先进CMOS毫米波雷达芯片方面他们并不占据优势。”陈嘉澍表示,毫米波雷达是一个新兴领域,没有哪一家公司是拥有深厚的经验积累而难以逾越的。加特兰虽然成立于2014年,但其核心研发团队在毫米波领域的技术和产业化经验积累已经超过10年,公司目前在全球已与90多家客户展开合作,在汽车、交通、安防、安检成像等领域取得多项突破,实力不输给任何一家国际公司。

继2017年发布第一代77GHz CMOS毫米波雷达射频单芯片Yosemite后,经过两年多的悉心打磨,加特兰微电子日前再度推出具备更高集成度的ALPS系列毫米波雷达系统单芯片。新产品集成了高速ADC、完整的雷达信号处理基带与高性能CPU内核,将于今年第2季度推出工程样品,并于2019年内实现规模量产。

尽管陈嘉澍认为两年研发周期在业界已经算相当之快,但他还是希望公司研发团队未来能将新品面市时间压缩到一年半甚至更短。因为出于安全性的考虑,OEM厂商最后的路测、验证时间很难压缩,能够缩短的只有研发周期,当用户在使用ALPS系列之后,就不需要在算法和底层开发方面花费更多精力,可以将时间更多投入到应用开发、与车厂对接等方面,从而减少设计周期。

揭秘阿尔卑斯

射频与数字处理性能的大幅提升,是此番新产品的两大看点。射频部分,ALPS芯片集成了4个或者2个发射通道、4个接收通道、高度可配置波形发生器、高达50Msps采样率的模数转换器、以及信号处理系统等数字电路。具备功能安全的ARC EM6 CPU核可为用户提供300MHz主频的数据处理能力以实现跟踪算法、上层应用算法和控制软件等程序。

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第二代ALPS SoC芯片-标准版

Alps采用“V”形开发流程,在设计方案中加入了190多个功能安全监控模块,涉及过亿晶体管的检测,并进行了多达1000多项失效模式的分析,并集成了检测失效模块的失效再检测,最终将会达到ASIL-B的功能安全等级。

除了标准品外,同步推出的还包括将天线单元集成到芯片封装层的Alps AiP(antenna in package)、更具性价比的Alps 2T4R以及60GHz SoC产品,从而能够以家族平台的面貌为用户提供从长距、中距到短距、超短距的全方位完整解决方案,极大降低了雷达开发的难度和成本。

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第二代ALPS SoC芯片-AiP版

为了配合Alps系列产品的推广及用户开发,加特兰微电子还同步推出了RDP雷达开发平台及GUI用户界面等工具,并且兼容完整的软件集合开发环境与工具链。这一系列工具将使得雷达芯片更易使用,极大缩短用户的上市时间。

此外,为了适用新环境下对传统半导体营销模式的挑战,加特兰微电子不但更新了官方网站、微信公众号平台等官方渠道,还同时推出淘宝官方店铺实现用户小批量购买的流程简化。

加特兰微电子商务运营副总裁吕昱昭对此解释说,淘宝店不会进行大批量供货,只是因为客户希望更快地得到产品,而传统对接方式对于小批量订单而言过于复杂,所以希望发挥淘宝店的便利性特点。当然,互联网营销本身就具备一定的传播性,这对公司而言也是件好事。未来,线上论坛和服务平台都会陆续升级,以便能给用户提供更好的支持与服务。

设计挑战何其多

陈嘉澍说,77GHz毫米波雷达芯片的设计难点,一是来自技术本身,例如如何在标准的数字CMOS工艺上实现一个包括锁相环、发射机、接收机、混频器在内的毫米波频段完整电路系统,然后还要让系统能稳定工作在-40到120温度范围内,难度极大。

众所周知,虽然CMOS工艺是被最大量使用的半导体工艺,但它本身并不是为了实现高频电路和应用而设计的,它最大的优势在于能够实现数字集成。因此,研发人员既需要充分了解CMOS工艺的半导体特性,还需要会用大量的数字电路去保护或增强模拟电路的某些短板与缺陷,让整套系统的性能更优。

其次,新推出的ALPS系列不仅有射频前端,还有雷达信号处理引擎,怎样实现一个高性能、低功耗的雷达处理基带是另一大挑战。加特兰设计人员之所以不选用标准DSP器件,原因就在于他们发现采用硬件加速ASIC的方式既可以实现更高的性能,又能得到更低的功耗,但这会涉及大量的算法开发工作。此外,汽车的雷达使用场景和传统的军用空中雷达很不一样,如何把整个雷达信号处理引擎集成到单芯片上,并且和射频前端实现无缝衔接,同步工作,也是一大难题。

陈嘉澍认为目前毫米波雷达的能力远远没有被发挥出来,增加探测目标的数量、提供更高的角度分辨率、更加小型化,进一步开发雷达算法和射频芯片架构,既是未来毫米波雷达芯片的发展趋势,也是公司的努力方向。但汽车产品的迭代速度远不及消费类产品,所以会在倾听市场和客户的需求之后,再定型下一代产品的具体规格。

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毫米波雷达可实现全球主流ADAS系统的全部功能

没有“万能的传感器”

由于毫米波雷达具备测速、测距、测角、全天后工作的能力,所以业界对此类传感器的需求量极大,也是当前L2到L3级别智能驾驶的主力传感器。目前,L2级别车型基本使用3颗(1个长距+2个短距),到2022年左右,L3阶段车型将增加到8颗(2个长距+6个短距),到2040年左右,L5级的车型也将采用同样的配置。

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从ADAS到自动驾驶,毫米波雷达需求数量将成倍增加

尽管雷达越多,探测的目标数量、精度和范围都会相应提升,但成本、体积和功耗是否能被整车厂接受将是一大挑战。对IC厂商来说,其目标是要能够将毫米波雷达系统的成本降到一辆车可以装载10颗以上雷达的水平。

与毫米波雷达共同出现在自动驾驶领域的,还有激光雷达(Lidar)。但在陈嘉澍看来,激光雷达的最大瓶颈还是在于成本太高,接近于一辆整车的成本只能使其更多的被应用在无人驾驶测试车上,5年甚至更长一段时间内都比较难于在乘用车上实现装配。这无形中给了毫米波雷达芯片厂商机会,如何通过提供高集成度、低成本、易使用的CMOS芯片,让更多的Tier1和OEM厂商尽快导入毫米波雷达传感器,实现对高中低端车型的全覆盖,是以加特兰为代表的厂商们需要思考的问题。

“从长远来看,视觉、毫米波雷达、激光雷达这些传感器都会共存,发挥自己的特长,弥补对方的短板,因为车辆也是需要有冗余设计的。”陈嘉澍说,视觉传感器的优点在于信息量丰富,可以识别车道线、路牌、标识,但没办法做到精确的测量距离,而且受光线、天气影响比较大;基于电磁波原理的毫米波雷达可以全天后工作,不受外界条件影响,而且可以精确测量。但在AEB、ACC系统中通常就需要两种传感器进行融合,即便其中一颗有足够强的性能,也需要另外一颗提供数据的相互检查。

原创
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