車(chē)載固態(tài)激光雷達(dá)SPAD陣列SoC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)之道

/導(dǎo)讀/

由于優(yōu)異的物理特性，激光雷達(dá)在車(chē)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(shí)現(xiàn)更好的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，特別是在前融合概念盛行的當(dāng)下。在多傳感器融合路線中，未來(lái)的自動(dòng)駕駛中激光雷達(dá)會(huì)不止一顆，就像今年量產(chǎn)的整車(chē)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(chē)載固態(tài)激光雷達(dá)SPAD陣列SoC芯片設(shè)計(jì)心得時(shí)表示，激光雷達(dá)已從過(guò)去多個(gè)分立元件間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)發(fā)展到今天多通道芯片間線對(duì)線的混合固態(tài)，未來(lái)將朝著2D收發(fā)器件間塊對(duì)塊的全固態(tài)形態(tài)發(fā)展。隨著技術(shù)的演進(jìn)，激光雷達(dá)已成為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dá)的作用和演進(jìn)趨勢(shì)

激光雷達(dá)到底能為自動(dòng)駕駛帶來(lái)什么功能，解決什么問(wèn)題呢？首先是高精電子地圖，利用點(diǎn)頻信息和車(chē)載慣導(dǎo)實(shí)現(xiàn)高清地圖繪制，進(jìn)行點(diǎn)頻匹配后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)車(chē)駕駛汽車(chē)的高精度定位；第二個(gè)核心功能是障礙物檢測(cè)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(luò)學(xué)習(xí)點(diǎn)頻特征并預(yù)測(cè)障礙物相關(guān)屬性；第三是根據(jù)激光雷達(dá)感知數(shù)據(jù)與障礙物所在車(chē)道的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行障礙物軌跡預(yù)測(cè)，以此作為無(wú)人車(chē)規(guī)劃的判斷依據(jù)。因此，激光雷達(dá)在物理層面為自動(dòng)駕駛帶來(lái)了一個(gè)更強(qiáng)有力、更直觀的輸入，在自動(dòng)駕駛中有不可替代的地位。

在俞坤治博士看來(lái)，激光雷達(dá)在形態(tài)上一直在變化和演進(jìn)，首先是從機(jī)械旋轉(zhuǎn)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的混合固態(tài)，未來(lái)還會(huì)到全固態(tài)，采用OPA或電子可尋址方式實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械掃描旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)設(shè)計(jì)；其次是光源和接收的芯片化演進(jìn)，從開(kāi)始的獨(dú)立元件、多元件PCB板堆疊，到幾個(gè)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(jìn)；最后是掃描和數(shù)據(jù)獲取趨勢(shì)的演進(jìn)，從開(kāi)始的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)距關(guān)系，到線掃描和數(shù)據(jù)獲取，再到未來(lái)的區(qū)塊對(duì)區(qū)塊2D可尋址對(duì)齊方式掃描。

近年來(lái)，伴隨汽車(chē)應(yīng)用和市場(chǎng)需求的不斷增加，激光雷達(dá)廠商紛紛推出了補(bǔ)盲激光雷達(dá)。其主要應(yīng)用是自動(dòng)駕駛的一些常見(jiàn)場(chǎng)景，如路口轉(zhuǎn)向、自動(dòng)泊車(chē)、行人與小物體識(shí)別。在這些場(chǎng)景中，激光雷達(dá)可作為高級(jí)別自動(dòng)駕駛的核心傳感器，預(yù)計(jì)系統(tǒng)中會(huì)采用多顆激光雷達(dá)。

02 SPAD SoC技術(shù)推進(jìn)固態(tài)激光雷達(dá)進(jìn)展

SPAD（單光子雪崩二極管）是一種具有單光子探測(cè)能力的新型圖像傳感器，能夠以極高的時(shí)間分辨率記錄單個(gè)光子的到達(dá)。基于SPAD技術(shù)的激光固態(tài)激光雷達(dá)具有幾個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：

一是高靈敏度和高動(dòng)態(tài)范圍。利用SPAD能夠?yàn)榧す饫走_(dá)的能量鏈路設(shè)計(jì)提供更大的冗余度和設(shè)計(jì)空間，蓋革模式SPAD具有更高的靈敏度，同時(shí)采用TCSPC（時(shí)間相關(guān)技術(shù)）技術(shù)路線，可以使方案具備更高的動(dòng)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(guò)10萬(wàn)像素級(jí)別，甚至可以達(dá)到接近百萬(wàn)像素級(jí)別，為激光雷達(dá)提供大視場(chǎng)、小角度分辨率的設(shè)計(jì)能力；同時(shí)將感光區(qū)域和前端信號(hào)處理模塊、后端數(shù)字處理模塊集成到一個(gè)芯片中，實(shí)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(shí)間內(nèi)輸出的點(diǎn)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(shè)計(jì)方案，也可配合2D可尋址VCSEL實(shí)現(xiàn)光源設(shè)計(jì)，靈活配置支持多種系統(tǒng)應(yīng)用方案。

四是低成本，高集成度、設(shè)計(jì)靈活度都有助于優(yōu)化BOM成本，另一個(gè)隱性?xún)?yōu)勢(shì)是，利用符合車(chē)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(gè)數(shù)量級(jí)，從而進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。

03 SPAD面陣激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

俞坤治博士指出，基于SPAD陣列的激光雷達(dá)傳感器有幾個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。一個(gè)難點(diǎn)是SPAD器件設(shè)計(jì)，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(duì)激光雷達(dá)長(zhǎng)尾場(chǎng)景的處理能力；三是可靠性和車(chē)規(guī)方面的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)難度，需要供應(yīng)商具備管控能力和車(chē)規(guī)設(shè)計(jì)、測(cè)試能力。

具體講，SPAD陣列SoC器件設(shè)計(jì)包括SPAD器件設(shè)計(jì)及工藝兩個(gè)部分。器件設(shè)計(jì)首先關(guān)注的指標(biāo)是間距和尺寸，已決定激光雷達(dá)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?dāng)_，它是并行處理方案激光雷達(dá)系統(tǒng)中一個(gè)非常關(guān)鍵的系統(tǒng)級(jí)參數(shù)。此外，還有抖動(dòng)/后脈沖、死區(qū)時(shí)間等都是器件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，需要通過(guò)大量的試驗(yàn)和驗(yàn)證證明器件能力。

第二個(gè)難點(diǎn)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(shè)計(jì)難度。另外，晶圓中每個(gè)片芯的一致性如何，以及同一個(gè)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(dá)到系統(tǒng)要求，保證一致性和可靠性。

另一個(gè)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(shè)計(jì)核心。SPAD讀出電路包含每個(gè)處理通道所需的電路模塊，如決定陽(yáng)光表現(xiàn)的Quench電路；還有決定芯片最大測(cè)量范圍的TDC，以及決定最大可測(cè)距離及測(cè)量精度的直方圖處理模塊。

每個(gè)通道都需要相應(yīng)的電路和設(shè)計(jì)來(lái)保證信號(hào)處理的完整性。面陣SoC一個(gè)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(shè)計(jì)之一，對(duì)內(nèi)會(huì)受芯片功耗、面積、走線難度、時(shí)鐘樹(shù)設(shè)計(jì)難度等指標(biāo)的限制，對(duì)外決定系統(tǒng)幀率、點(diǎn)頻、最大測(cè)量距離、像素分辨率等系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)指標(biāo)，所以如何權(quán)衡并行處理是SPAD SoC的設(shè)計(jì)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(chǎng)景的能力，包含強(qiáng)反射率、強(qiáng)陽(yáng)光、多級(jí)干擾、精度要求、距離精度要求的權(quán)衡。DSP和各個(gè)讀出電路之間的匹配關(guān)系也是設(shè)計(jì)中要考慮的問(wèn)題。

第三個(gè)難點(diǎn)是SPAD陣列SoC的車(chē)規(guī)設(shè)計(jì)。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(biāo)準(zhǔn)和要求；還有車(chē)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(dá)到車(chē)規(guī)要求。二是車(chē)規(guī)功能安全的開(kāi)發(fā)，與激光雷達(dá)強(qiáng)相關(guān)的內(nèi)容包括SPAD檢測(cè)以及核心功能失效判斷模塊，產(chǎn)品封裝和測(cè)試也要滿(mǎn)足車(chē)規(guī)要求，包括SPAD器件的三溫測(cè)試以及卡控標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定。

04 SPAD技術(shù)為固態(tài)激光雷達(dá)賦能

俞坤治博士認(rèn)為，SPAD技術(shù)路線能夠提升固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能，顯性提升方面，包括高靈敏度、高動(dòng)態(tài)范圍帶來(lái)的測(cè)遠(yuǎn)能力；并行處理能力帶來(lái)的點(diǎn)頻能力；像素集成度帶來(lái)的角分辨率能力，以及陣列級(jí)SoC設(shè)計(jì)在集成度、設(shè)計(jì)功耗、設(shè)計(jì)難度、設(shè)計(jì)成本的改善；使用直方圖TCSPC模型測(cè)距精度和測(cè)距準(zhǔn)度都可以比其他技術(shù)路線有更穩(wěn)定、更強(qiáng)的信號(hào)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(dá)方案，不再有機(jī)械旋轉(zhuǎn)件，減少了系統(tǒng)中的元件個(gè)數(shù)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。在成本控制方面，通過(guò)高集成度和小型化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)設(shè)計(jì)的成本控制。沒(méi)有機(jī)械部件及電子元件數(shù)量低，可以延長(zhǎng)激光雷達(dá)的使用壽命?？傊?，SPAD技術(shù)對(duì)于固態(tài)激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)是一種有非常強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)景相關(guān)性的技術(shù)。

05 SPAD陣列SoC產(chǎn)品亮點(diǎn)

俞坤治博士介紹說(shuō)，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(mén)處理模式。芯片內(nèi)集成的1200個(gè)通道遠(yuǎn)大于索尼的SPAD和蘋(píng)果的激光雷達(dá)設(shè)計(jì)。采用低功耗TDC和DSP設(shè)計(jì)，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?yàn)橄到y(tǒng)提供全直方圖輸出以及信號(hào)集成度、背景光能量、噪聲強(qiáng)度、差值距離等DSP設(shè)計(jì)能力。

產(chǎn)品性能方面，VI6330的一個(gè)20μm間距的SPAD，在940nm 3Vex下，PDE達(dá)到20%，DCR達(dá)到4cps/μm2，3V過(guò)壓串?dāng)_小于0.5，后寄生脈沖達(dá)到小于0.1；3×3尺寸面陣的像素一致性達(dá)到3%。

06 安全是車(chē)企首要考慮

俞坤治博士強(qiáng)調(diào)，在提升可靠性及使用壽命、降低成本的同時(shí)，上車(chē)的產(chǎn)品必須嚴(yán)格遵守車(chē)規(guī)認(rèn)證要求。芯視界針對(duì)用于車(chē)載補(bǔ)盲固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品嚴(yán)格按照車(chē)規(guī)安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造并通過(guò)認(rèn)證。

該芯片具有高靈敏度、高動(dòng)態(tài)范圍、高可靠性、系統(tǒng)簡(jiǎn)單易集成等優(yōu)勢(shì)，有助于固態(tài)激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)高度集成和小體積，以較低的功耗實(shí)現(xiàn)看得又遠(yuǎn)、又快、又準(zhǔn)，助力固態(tài)激光雷達(dá)早日量產(chǎn)上車(chē)。