全新的智能感知方案，安森美半導(dǎo)體助力自動駕駛發(fā)展

從第一次工業(yè)革命機械化到第二次工業(yè)革命電力化，到第三次工業(yè)革命計算機數(shù)字化，到現(xiàn)在第四代工業(yè)革命人工智能化、信息化。人工智能對人類社會的方方面面的影響和改變是遠遠超過計算機數(shù)字工業(yè)革命帶來的改變。斯坦福大學(xué)人工智能專家，“人工智能之父”Andrew Ng認為人工智能是新的電力，就像第二次工業(yè)革命電力給整個人類帶來的一個巨大的深入改變；數(shù)據(jù)是人工智能的動力和發(fā)動機，感知是數(shù)據(jù)的燃料。

為推動AI和第四次工業(yè)革命的進步，安森美半導(dǎo)體在感知上做了非常久的投入，包括圖像感知，多光譜、高光譜的感知，激光雷達感知、毫米波雷達感知、傳感器融合深度感知。9月25日，安森美半導(dǎo)體召開“智能感知策略及方案”在線媒體交流會，安森美半導(dǎo)體智能感知部全球市場和應(yīng)用工程副總裁易繼輝向電子產(chǎn)品世界等媒體介紹了，公司在智能感知方面的新進展和策略。

圖像傳感器：技術(shù)先進 性能優(yōu)越

圖像傳感器示意圖

上圖是圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，看起來像是高樓大廈，一共有六層，都是由半導(dǎo)體制成。市場上有一個誤區(qū)，認為GPU和CPU是半導(dǎo)體里挑戰(zhàn)性和難度最高的，實際上和傳感器相比它是小巫見大巫。因為GPU和CPU里，它所要對付的主要在電子（Electron）；但在圖像傳感器里，既要對付電子又要對付光子，光子和電子的結(jié)合使圖像傳感器變成非常復(fù)雜的半導(dǎo)體。未來還有更多芯片可以疊加起來，加上一些更智能化的，包括人工智能都可以直接放在圖像傳感器里。

圖像傳感的光電轉(zhuǎn)換過程：光子打進來以后轉(zhuǎn)換成電核，變成電信號，就相當于下雨時拿著水桶接雨，水桶越大接的雨量越大；同樣，容積越大，光子轉(zhuǎn)化成電子的電容、電荷量就越多。安森美半導(dǎo)體利用新技術(shù)，在傳統(tǒng)小像素旁邊開個大的蓄水池，把多余的電荷流到這邊，從而使整個光強量、信息量提高，動態(tài)范圍增加。此技術(shù)多用在端攝影機里，比如好萊塢著名導(dǎo)演李安拍攝《少年派的奇幻漂流》使用的ARRI公司攝影機，就是用的安森美半導(dǎo)體的圖像傳感器?，F(xiàn)在，安森美逐漸將這個技術(shù)轉(zhuǎn)入汽車行業(yè)，汽車的傳感器；接下來會逐漸轉(zhuǎn)入到工業(yè)機器視覺和其他領(lǐng)域。

Hayabusa系列產(chǎn)品用了這個技術(shù)以后，一次曝光就能實現(xiàn)95dB；經(jīng)過多次曝光可以達到120dB；未來的平臺，下一代的產(chǎn)品一次曝光有望達到110dB，多次曝光可以達到140dB。

100dB的寬動態(tài)是什么概念？以下圖為例，這是夜晚經(jīng)常碰到的場景，在這個場景下，車燈的寬動態(tài)范圍是102dB。如果傳感器只是70dB，這種場景很多細節(jié)是看不出來的。比如旁邊有一個行人，如果傳感器的寬動態(tài)不夠，不到100dB，是看不出來這有一個行人；若用在機器視覺，可能偵探不到有一個行人在車子旁邊。而安森美的110dB傳感器完全可以提供非常詳細的信息。

汽車感知的挑戰(zhàn)與方案

汽車感知的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在成像上，具體來說有三個方面：

? 一是寬動態(tài)。大家開車的經(jīng)驗經(jīng)常是，路的方向是固定的，在路上開車時沒有辦法控制太陽什么時候在哪個方向，有的時候就需要逆著太陽開。在自動駕駛時，這樣的情況對攝像頭的要求就非常得高。大家也有許多的經(jīng)驗，在強光下，因為光線太強了，周圍一片黑，什么都看不見；從暗到亮，從車庫、隧道出來，如果寬動態(tài)不夠，可能根本沒有辦法看到或者只能看到暗處，或者只能看到亮處。

? 二是環(huán)境條件，車要能在東北零下幾十度的環(huán)境開，也能夠在沙漠開或者南方高溫條件下開。

? 三是對圖像傳感器來說很獨特的挑戰(zhàn)：辨別LED指示牌、交通燈?，F(xiàn)在包括中國、歐洲、美國、日本、其他國家在公路上都已經(jīng)開始實行電子管控牌，都是用LED，對人來講非常舒服，老遠就看得清清楚楚，很明亮，特別是夜晚。但這樣的LED因為閃爍頻率沒有標準，不一樣。所以，圖像傳感器有的時候容易因為頻率不同步，經(jīng)常捕捉不到信號。對駕駛員人眼來看沒有太大問題，但對機器視覺就是很大的挑戰(zhàn)。過去的方案都是在軟件里來解決，現(xiàn)在解決方案都已經(jīng)做到芯片級了，做到硬件里面去直接解決掉。

汽車自動駕駛成像的多樣化，包括外部感知、內(nèi)部感知、增強視覺。外部感知非常復(fù)雜，包括遠近、大小車輛、自行車；行人，大人、小孩、老人；一些路標、車線，斑馬線，交通燈；要全天候的，白天，晚上，刮風(fēng)，下雨，下雪，霧天；各個季節(jié)，春、夏、秋、冬都要能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的感知，環(huán)境非常多樣化。

內(nèi)部感知，從最早只是對駕駛員的疲勞監(jiān)控（從看駕駛員眼睛的注意力和睫毛的抖動偵查出是否疲勞），逐漸地擴大到駕駛員有沒有在用手機，有沒有分散精力，有沒有系好安全帶，還進一步擴大到乘客的感知。這也是一個未來新興市場。

視覺增強，主要是為了給駕駛員和乘客提供更好的視覺感知，包括電子后視鏡，不需要回頭就能在后視鏡直接看到真正的電子圖像；而且這種疊加，特別是把高清地圖和真實路況疊加起來，告訴你前面哪里有加油站，哪里有重要的景點，哪里有紅綠燈。這些都是視覺增強的應(yīng)用，讓駕駛員能夠更安全地駕駛。

針對智能駕駛艙解決方案，安森美半導(dǎo)體有兩款百萬像素的解決方案，在業(yè)界很受歡迎。該公司的AR0144AT在整個業(yè)界用量是最大的一款。智能駕駛艙里的一個挑戰(zhàn)是，目前的攝像頭尺寸太大了，18×18cm3，最小的也是3×3cm3，安森美半導(dǎo)體和合作伙伴一起開發(fā)了0.5×0.5cm3非常小型的攝像頭，放在車里乘客、駕駛員基本上都不會看得到。

當然，安森美半導(dǎo)體不光只是提供單一的產(chǎn)品，比如圖像傳感器和信號處理器（ISP），還提供很多其他的器件，包括二極管、LDO、電源管理IC。同時，安森美半導(dǎo)體的一個獨特優(yōu)勢是，在設(shè)計新的下一代圖像處理器時，可以和其他產(chǎn)品部門合作，來探討怎么樣開發(fā)相應(yīng)的電子產(chǎn)品、器件，使攝像頭能夠達到最優(yōu)化。這是其他圖像處理器公司沒有辦法做到的。

安森美半導(dǎo)體能夠給客戶提供一站式的服務(wù)以及最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計方案，再加上悠久的生產(chǎn)汽車元器件的歷史，其他元器件的車規(guī)、功能安全已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)ASIL-B程度。安森美半導(dǎo)體的元器件都是按照公司統(tǒng)一的質(zhì)量系統(tǒng)，擁有統(tǒng)一的可靠性能，統(tǒng)一的售后服務(wù)提供給客戶。

作為在行業(yè)內(nèi)第一個先做起生態(tài)系合作伙伴系統(tǒng)的公司，安森美半導(dǎo)體目前已經(jīng)開發(fā)超過50家合作伙伴，從光學(xué)鏡片到信號處理器，I/O、Interface接口、SoC處理器、軟件系統(tǒng)，都已經(jīng)有很多的合作伙伴。

工業(yè)機器視覺和邊緣AI

工業(yè)4.0、工業(yè)自動化、人工智能使機器視覺市場快速發(fā)展，特別是在國內(nèi)。邊緣人工智能不斷地、幾乎每年會出現(xiàn)一些新領(lǐng)域，比如新零售，智慧農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)都開始了智能化。一些新興設(shè)備，特別是在新冠狀病毒以后的后疫情時期有一些大的趨勢：

? 一是遠程化。遠程教學(xué)、遠程醫(yī)療會越來越普遍。

? 二是無人化，例如無人送貨車、無人商店，減少人和人之間的接觸，即無接觸化。不需要開門抓手把，不需要去推門，減少一些傳染。

? 還有一方面就是COVID-19的檢測，安森美半導(dǎo)體和世界上很多公司都在合作開發(fā)COVID-19病毒檢測設(shè)備。

1.3英寸固定尺寸的圖像傳感器的發(fā)展趨勢

上圖是1.3英寸固定尺寸的圖像傳感器在這些年的發(fā)展趨勢。從圖上可以看出，一是同樣圖像傳感器的分辨率在逐年提升，從過去的200萬像素，500萬，800萬，1200萬，現(xiàn)在達到超過2000萬。二是噪聲導(dǎo)數(shù)，相當于圖像質(zhì)量，在同樣大小的尺寸下的圖像傳感器逐年隨著像素的增大，圖像質(zhì)量也是不斷地提高。三是帶寬也是在逐年提高，29×29mm2標準的工業(yè)用攝像頭，在十年以前可能只是200萬像素，后來逐漸增加到300萬、500萬、1200萬，今年已經(jīng)能夠用到1600萬像素。

安森美半導(dǎo)體的產(chǎn)品如上圖一樣都在逐代提高，性能的提高離不開靠技術(shù)的推動。安森美半導(dǎo)體在技術(shù)上有很深的積累：

? 全局快門，使在高速運動下使圖像不會有拖影。

? 內(nèi)校正，像素內(nèi)的校正，以前都是在系統(tǒng)里通過軟件校正，現(xiàn)在直接做到硬件里，像素內(nèi)部去做圖像校正。

? 工藝節(jié)點，從110納米到65納米，再到45納米，甚至更小，充分利用了摩爾定律的優(yōu)勢，即成本、尺寸、耗電量都在逐年下降。

? 背照式，在同樣尺寸下，分辨率越來越高，像素尺寸可能越來越小，感光量、感光度；特別是暗光下，性能可能就會降低，背照式就是用來提高感光能力。

? 堆棧架構(gòu)，以后就不光是兩維空間了，而是三維，堆棧式，兩次堆棧，三次堆棧都有可能實現(xiàn)。

? 以后不光把模擬和數(shù)字信號放在第二層，甚至于人工智能一些算法放在第三層里，整個圖像傳感器就是高智能化的圖像傳感器。

安森美半導(dǎo)體的XGS系列圖像傳感器，從200萬像素一直到4500萬像素，有11款不同像素的產(chǎn)品。該系列有個最大的特點，客戶只需要兩塊線路板設(shè)計就能支撐11款不同的傳感器，相對于11個線路板就節(jié)省了大量的成本和時間。我該系列的產(chǎn)品性能有極大的提高，包括幀數(shù)、寬動態(tài)、暗電流。其中，29×29mm2這款攝像頭，創(chuàng)造了行業(yè)第一；它可以用到1600萬像素的攝像頭里。下面介紹幾個XGS系列圖像傳感器的具體應(yīng)用。

1.平板檢測

平板檢測是整個工業(yè)機器視覺行業(yè)中，對圖像傳感器最有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。它從1K、2K、4K一直到8K，像素在逐漸擴大。檢測過程分兩步：第一步是暗檢測，上電前主要檢測一些指紋、劃痕和其他物理上的問題；第二步是上電以后，特別是在OLED，加上最新的AMOLED（Active Matrix OLED）。

LED是有一個亮板在后面作為發(fā)光源，而OLED，特別是AMOLED，它的每個像素都是一個單獨發(fā)光源。像素和像素之間發(fā)光的強度和色彩的均勻度都要能夠很準確地偵測出來，這就對圖像傳感器的要求非常高。過去檢測LED面板上的1顆像素，對應(yīng)需要9顆像素（3×3），OLED則對應(yīng)需要16顆（4×4），甚至25顆（5×5）像素。所以對圖像傳感器的像素要求越來越高，從4,500萬要到1.5億像素，甚至超過2億像素。

2.監(jiān)控和廣播

另一個是廣播、監(jiān)控的應(yīng)用。在同樣的圖像質(zhì)量情況下，像素越大版面越大，如8K。下圖是安森美半導(dǎo)體的最新款4500萬像素的圖像傳感器，這款傳感器已經(jīng)被客戶選中，將來會用到東京奧林匹克的會場上。它還有一個很大的優(yōu)勢是速度非?？?，每秒60幀，12bit。

3.PCB檢測

在工業(yè)制造里，勞動生產(chǎn)率是降低成本很主要的因素，線路板檢測的勞動生產(chǎn)率，就是在固定單位時間內(nèi)所能檢測的線路板面積越大，勞動生產(chǎn)效率就會越高。相對圖像傳感器來講，單位時間內(nèi)收集信息量越大，生產(chǎn)效率就越高。安森美半導(dǎo)體的這款PCB檢測圖像傳感器是2100萬像素，競爭對手的是500萬像素和1300萬像素，信息采集量比競爭對手能大了4倍，能夠成倍地提高勞動生產(chǎn)率。

即將推出的4K傳感器

安森美半導(dǎo)體即將推出一款4K圖像傳感器，下圖是該產(chǎn)品的寬動態(tài)效果圖。這個場景人眼是完全不能看的，非常刺眼，眼睛睜不開。而這款圖像傳感器不光能夠看清場景，連燈絲都能看得非常清楚。而0.2cd/cm2光照量非常低和190,000cd/cm2光照量非常高的兩種情況并存時，兩處場景都能看到，這非常不容易，已經(jīng)超過了人眼能力。還有一個特點就是過渡噪聲非常小，黑暗與明亮交界的地方輪廓非常清晰。這樣清晰的數(shù)據(jù)給人工智能提供了大量的可靠數(shù)據(jù)，在這種場景下，如果人工智能完全沒有辦法辨識和識別物體，這款傳感器就能夠提供更多的信息。

另外，這款傳感器還有很好的低照度能力，下圖是0.2勒克斯，幾乎非常暗的光線下能夠看得非常清楚。

激光雷達

激光雷達的傳統(tǒng)技術(shù)是APD，叫做雪崩光電二極管。它的缺點是體積大、功耗高、偵測距離范圍有限、一致性不好。安森美半導(dǎo)體用的技術(shù)叫做SiPM（硅光電倍增管），優(yōu)勢在于它的增益是APD的1萬倍，靈敏度是APD的2000倍，工作電壓要求非常低，只要30V，而APD要250V。它的一致性非常好，特別在大批量生產(chǎn)的時候可以批量化。

安森美半導(dǎo)體的激光雷達產(chǎn)品有單點的，例如在醫(yī)療、工業(yè)、汽車都有應(yīng)用；還有新開發(fā)出來的陣列，1×12或1×16，下一代的激光雷達都會用到這樣的產(chǎn)品。最新開發(fā)出來的叫做SPAD面陣，是400×100，已經(jīng)不是點云了，已經(jīng)和圖像傳感器差不多了，相當于是一個圖像，將來完全可以實現(xiàn)有深度信息的圖像。

毫米波雷達

毫米波雷達的適用范圍有：L1、L2、L3、L4、L5。在不同自動駕駛的級別上有不同的應(yīng)用。安森美半導(dǎo)體的下一代毫米波雷達產(chǎn)品的重點是放在L3上。用的技術(shù)叫做“MIMO+”，是安森美半導(dǎo)體的專利，是新開發(fā)出來的技術(shù)。它能夠提供4D的信息，R是距離，V是速度，A是角度，E是高度，能夠提供四維信息，用于L3層級的自動駕駛。

與競爭對手相比，安森美半導(dǎo)體的MIMO+加上實際通道、虛擬通道，要比競爭對手多一倍的通道。同樣性能的毫米波雷達，安森美的可以節(jié)省50%的mmIC器件、減少優(yōu)化控制器、線路板，降低總體成本。同時，還會開發(fā)雷達信號處理，安森美的對外聯(lián)接接口是按照行業(yè)標準，不管是現(xiàn)有標準還是未來發(fā)展標準。

結(jié)語

安森美半導(dǎo)體未來的方向?qū)@3D成像、高光譜和多光譜成像三個方面，但現(xiàn)有的方案都是在系統(tǒng)上解決。比如3D就是雙目，兩個攝像頭，或者結(jié)構(gòu)光來解決；高光譜、多光譜，是用多個鏡頭或者多個相機在系統(tǒng)里合成。安森美半導(dǎo)體希望把這些困難和問題，在半導(dǎo)體層面用摩爾定律來解決，從而達到降低成本，縮小尺寸、降低功耗的目的。