車載固態(tài)激光雷達SPAD陣列SoC設計挑戰(zhàn)及應對之道

/導讀/

由于優(yōu)異的物理特性，激光雷達在車載多傳感器融合中扮演著非常重要的角色，它可以使傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)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中，未來的自動駕駛中激光雷達會不止一顆，就像今年量產(chǎn)的整車有一顆、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載固態(tài)激光雷達SPAD陣列SoC芯片設計心得時表示，激光雷達已從過去多個分立元件間點對點的機械旋轉(zhuǎn)發(fā)展到今天多通道芯片間線對線的混合固態(tài)，未來將朝著2D收發(fā)器件間塊對塊的全固態(tài)形態(tài)發(fā)展。隨著技術(shù)的演進，激光雷達已成為實現(xiàn)自動駕駛/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趨勢

激光雷達到底能為自動駕駛帶來什么功能，解決什么問題呢？首先是高精電子地圖，利用點頻信息和車載慣導實現(xiàn)高清地圖繪制，進行點頻匹配后實現(xiàn)自動車駕駛汽車的高精度定位；第二個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(qū)域（ROI），基于全卷積深度神經(jīng)網(wǎng)絡學習點頻特征并預測障礙物相關(guān)屬性；第三是根據(jù)激光雷達感知數(shù)據(jù)與障礙物所在車道的拓撲關(guān)系進行障礙物軌跡預測，以此作為無人車規(guī)劃的判斷依據(jù)。因此，激光雷達在物理層面為自動駕駛帶來了一個更強有力、更直觀的輸入，在自動駕駛中有不可替代的地位。

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

近年來，伴隨汽車應用和市場需求的不斷增加，激光雷達廠商紛紛推出了補盲激光雷達。其主要應用是自動駕駛的一些常見場景，如路口轉(zhuǎn)向、自動泊車、行人與小物體識別。在這些場景中，激光雷達可作為高級別自動駕駛的核心傳感器，預計系統(tǒng)中會采用多顆激光雷達。

02 SPAD SoC技術(shù)推進固態(tài)激光雷達進展

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，能夠以極高的時間分辨率記錄單個光子的到達?；赟PAD技術(shù)的激光固態(tài)激光雷達具有幾個主要優(yōu)勢：

一是高靈敏度和高動態(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，同時采用TCSPC（時間相關(guān)技術(shù)）技術(shù)路線，可以使方案具備更高的動態(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(guī)模做到超過10萬像素級別，甚至可以達到接近百萬像素級別，為激光雷達提供大視場、小角度分辨率的設計能力；同時將感光區(qū)域和前端信號處理模塊、后端數(shù)字處理模塊集成到一個芯片中，實現(xiàn)更小體積方案；并將更多通道集成在SPAD芯片內(nèi)部，相比傳統(tǒng)方案單位時間內(nèi)輸出的點頻數(shù)更高，提高了系統(tǒng)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實現(xiàn)光源設計，靈活配置支持多種系統(tǒng)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，另一個隱性優(yōu)勢是，利用符合車規(guī)要求的電子元件可將研發(fā)周期及可量產(chǎn)性提高一個數(shù)量級，從而進一步降低生產(chǎn)成本。

03 SPAD面陣激光雷達的設計挑戰(zhàn)

俞坤治博士指出，基于SPAD陣列的激光雷達傳感器有幾個設計難點。一個難點是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對激光雷達長尾場景的處理能力；三是可靠性和車規(guī)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規(guī)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(tǒng)中的分辨率和角分辨率；其次是PDE和DCR，決定系統(tǒng)信噪比和系統(tǒng)能力；第三是串擾，它是并行處理方案激光雷達系統(tǒng)中一個非常關(guān)鍵的系統(tǒng)級參數(shù)。此外，還有抖動/后脈沖、死區(qū)時間等都是器件設計的難點，需要通過大量的試驗和驗證證明器件能力。

第二個難點是工藝，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(wěn)定；3D堆疊的銅-銅互連、混合鍵合的設計難度。另外，晶圓中每個片芯的一致性如何，以及同一個片芯面陣中各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(tǒng)要求，保證一致性和可靠性。

另一個核心訴求是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讀出電路包含每個處理通道所需的電路模塊，如決定陽光表現(xiàn)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。

每個通道都需要相應的電路和設計來保證信號處理的完整性。面陣SoC一個很關(guān)鍵的參數(shù)是可同步并行處理的通道數(shù)量，它是SPAD邏輯電路中最核心的設計之一，對內(nèi)會受芯片功耗、面積、走線難度、時鐘樹設計難度等指標的限制，對外決定系統(tǒng)幀率、點頻、最大測量距離、像素分辨率等系統(tǒng)級設計指標，所以如何權(quán)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景的能力，包含強反射率、強陽光、多級干擾、精度要求、距離精度要求的權(quán)衡。DSP和各個讀出電路之間的匹配關(guān)系也是設計中要考慮的問題。

第三個難點是SPAD陣列SoC的車規(guī)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；還有車規(guī)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規(guī)要求。二是車規(guī)功能安全的開發(fā)，與激光雷達強相關(guān)的內(nèi)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足車規(guī)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)路線能夠提升固態(tài)激光雷達系統(tǒng)的性能，顯性提升方面，包括高靈敏度、高動態(tài)范圍帶來的測遠能力；并行處理能力帶來的點頻能力；像素集成度帶來的角分辨率能力，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)路線有更穩(wěn)定、更強的信號輸出能力。

隱性提升方面，利用SPAD技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)固態(tài)激光雷達方案，不再有機械旋轉(zhuǎn)件，減少了系統(tǒng)中的元件個數(shù)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。在成本控制方面，通過高集成度和小型化設計實現(xiàn)了激光雷達設計的成本控制。沒有機械部件及電子元件數(shù)量低，可以延長激光雷達的使用壽命。總之，SPAD技術(shù)對于固態(tài)激光雷達來說是一種有非常強的應用場景相關(guān)性的技術(shù)。

05 SPAD陣列SoC產(chǎn)品亮點

俞坤治博士介紹說，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，采用全局快門處理模式。芯片內(nèi)集成的1200個通道遠大于索尼的SPAD和蘋果的激光雷達設計。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(tǒng)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20μm間距的SPAD，在940nm 3Vex下，PDE達到20%，DCR達到4cps/μm2，3V過壓串擾小于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 安全是車企首要考慮

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

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