激光雷達(dá)SPAD，要掀桌子？

撰文 | 張祥威 編輯｜馬青竹

“激光雷達(dá)的未來發(fā)展方向是SPAD，這很清晰。”一位激光雷達(dá)公司從業(yè)人士告訴《出行百人會/AutocarMax》。

最近，禾賽科技高管揭秘，“旗下產(chǎn)品ETX采用了自研SPAD 3D堆疊的芯片。”ETX是該公司于今年10月發(fā)布的超遠(yuǎn)距激光雷達(dá)。

探測器技術(shù)主要分為APD、SiPM和SPAD三類。其中，SPAD全稱為Single Photon Avalanche Diode(單光子雪崩二極管)，應(yīng)用此技術(shù)的產(chǎn)品，被部分公司定義為數(shù)字激光雷達(dá)。

以市場規(guī)模論，當(dāng)下，APD、SiPM仍是主流應(yīng)用。但SPAD有望成為新寵兒。

Yole報告顯示，在2024年車載激光雷達(dá)接收器市場中，SiPM與SPAD分別占據(jù)了69%和18%的市場份額。報告預(yù)測，到2030年，兩者的份額預(yù)計將調(diào)整至61%與33%。至2035年，則分別達(dá)到48%和49%。

不只禾賽，華為、速騰（參數(shù)丨圖片）聚創(chuàng)等均已入局，如華為D3、速騰聚創(chuàng)EM4，接收端的探測器采用SPAD陣列。

禾賽認(rèn)為，APD、SiPM、SPAD三種激光探測技術(shù)沒有優(yōu)劣之分。選擇哪一種，取決于市場需要什么。但也有觀點(diǎn)認(rèn)為，SPAD興起后，未來基于SiPM的激光雷達(dá)會被淘汰。

那么，未來SPAD到底是三分天下有其一？還是完成主流替代，重塑行業(yè)？

SPAD打開新門，帶來新問題

SPAD技術(shù)的核心是，利用半導(dǎo)體材料的雪崩效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對光子的靈敏探測。

從理論概念的提出，到率先被手機(jī)等消費(fèi)電子催化，再到如今應(yīng)用于車載激光雷達(dá)，SPAD的優(yōu)越性，正隨技術(shù)成熟而展現(xiàn)。

“SPAD有很多優(yōu)勢。以128線激光雷達(dá)為例，使用SPAD可以更好地識別雨夜路面、車道線等目標(biāo)物。”上述激光雷達(dá)人士告訴我們。

整體上，SPAD的優(yōu)勢包括，高增益、高靈敏度、高動態(tài)范圍、高可靠性、數(shù)字信號輸出、易集成等。

其劣勢在于，由于半導(dǎo)體材料和物理效應(yīng)，會存在暗計數(shù)和串?dāng)_問題，以及動態(tài)范圍有限和像素獨(dú)立性等問題。

要用好SPAD，就得解決一系列技術(shù)挑戰(zhàn)：

沒有光信號時，由于半導(dǎo)體材料的熱激發(fā)或缺陷，SPAD會隨機(jī)產(chǎn)生虛假的雪崩效應(yīng)，從而形成暗噪聲。

有光信號時，一個SPAD像素發(fā)生雪崩，會產(chǎn)生微弱的紅外光子，被鄰近的像素探測到，從而引發(fā)錯誤的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致測距不準(zhǔn)或鬼影。雪崩過程中，被陷阱俘獲的載流子，在被釋放后，還可能再次發(fā)出一次虛假的雪崩信號。

強(qiáng)光下，海量的背景光子會持續(xù)觸發(fā)SPAD，使其迅速達(dá)到技術(shù)上限而“失明”。

另外，SPAD雪崩效應(yīng)啟動需要數(shù)百伏的高反向偏置電壓，這增加了電路設(shè)計的復(fù)雜度和功耗，以及高壓管理的可靠性風(fēng)險。SPAD對溫度極敏感，還需要復(fù)雜的溫控。

以上諸多問題，或許是影響SPAD量產(chǎn)進(jìn)程的原因。尤其要滿足車規(guī)級，更需技術(shù)火候到位。

禾賽一早入局SPAD，并在2022年發(fā)布應(yīng)用SPAD技術(shù)的近距補(bǔ)盲激光雷達(dá)FT120，去年并購擁有SPAD專利技術(shù)的瑞士芯片設(shè)計公司Fastree 3D，今年又發(fā)布ETX，動作不斷。

禾賽科技聯(lián)合創(chuàng)始人、首席科學(xué)家孫愷認(rèn)為，傳統(tǒng)SPAD方案仍存在一些問題：

“例如，當(dāng)車輛靠近一個高反目標(biāo)物體時，周圍會出現(xiàn)很多雜散的點(diǎn)，有些點(diǎn)甚至彌漫到了馬路中央，這種情況下很容易誤觸發(fā)AEB。”

他解釋，這是由于傳統(tǒng)SPAD的接收端是多通道并收架構(gòu)。幾百個通道，分區(qū)數(shù)量非常少，往往幾十個通道同時發(fā)光，出現(xiàn)高反膨脹，周圍出現(xiàn)很多點(diǎn)云的噪點(diǎn)。

禾賽的解決方案是，采用光子隔離技術(shù)，從硬件層面入手，將所有發(fā)射通道和接收通道一一對應(yīng)，且互相隔離。此外，采用波形解碼引擎等技術(shù)，來解決噪點(diǎn)濾除等問題。

代價是，禾賽的單獨(dú)尋址激光器數(shù)量是傳統(tǒng)SPAD方案的10倍，達(dá)到上百顆。為了不讓成本同比例增加，禾賽在發(fā)射端做了不少集成化工作。

我們注意到，市面上的SPAD激光雷達(dá)，例如速騰聚創(chuàng)，主要通過二維可尋址VCSEL激光芯片，以及集成了具備抗串?dāng)_能力的SPAD-SoC芯片，來解決高反等問題。

上述激光雷達(dá)人士告訴我們，解決高反問題是用好SPAD的基礎(chǔ)能力。過了這一關(guān)之后，還要解決二維掃描、數(shù)字架構(gòu)、點(diǎn)云質(zhì)量、生產(chǎn)制造質(zhì)量等問題，從研發(fā)到產(chǎn)線，都需要進(jìn)行全新的設(shè)計和適配。

集體擁抱SPAD

近幾年，SPAD受到重視。上文提及的禾賽FT120、ETX，以及速騰聚創(chuàng)的EM4，均采用SPAD技術(shù)。

華為的96線、192線激光雷達(dá)產(chǎn)品，均為SPAD方案。“華為至少從2023年就開始采用SPAD。由于其產(chǎn)品主要面向消費(fèi)者，因而宣傳上更側(cè)重性能而非技術(shù)細(xì)節(jié)。”業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為。

從終極形態(tài)看，高度集成的SPAD能實(shí)現(xiàn)性能提升和成本下降的雙重效果。

與SiPM相比，SPAD可采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制造，量產(chǎn)成本低。而且，由于SPAD對光子的靈敏度，還可降低對激光功率的需求，從而減少激光器成本。

尤其SPAD與芯片集成后，還能降低體積。以市面上的量產(chǎn)激光雷達(dá)為例，將SPAD與SoC通過3D堆疊后，體積可縮小50%以上。

但是，目前SPAD方案的核心芯片設(shè)計制造成本高，規(guī)模效應(yīng)尚未形成。所以，降本也在不斷推進(jìn)。

禾賽科技聯(lián)合創(chuàng)始人、CEO李一帆說：“我們會先考慮它的ASP最終會穩(wěn)定到多少，然后估算一下市場的量，根據(jù)這個合理地設(shè)計成本。”

值得注意的是，對于SPAD的應(yīng)用策略，各家并不完全一致。

華為的激光雷達(dá)產(chǎn)品屬于SPAD陣營，但不同之處在于，其SPAD采用索尼IMX459。

禾賽的ETX雖然采用SPAD技術(shù)，但其ATX系列明年推出的煥新版仍將采用SiPM方案。不過，其主控芯片會采用自研的費(fèi)米C500，替換原有的FPGA和MCU，以實(shí)現(xiàn)降本。

另一家公司速騰聚創(chuàng)，據(jù)我們了解，其M1P、M2和MX明年同樣仍將采用SiPM方案。“之前用M1P、M2、MX的車型沒有升級雷達(dá)就繼續(xù)用，繼續(xù)供貨。”

不過，知情人士告訴我們，速騰聚創(chuàng)今年新的定點(diǎn)，從車載激光雷達(dá)到機(jī)器人，基本都是SPAD的產(chǎn)品。

以此來看，激光雷達(dá)未來全面擁抱SPAD的概率，并不低。

“隨著產(chǎn)品技術(shù)迭代，SiPM的份額將逐步降低，減少到一個很小的比例，甚至消失。”上述知情人士判斷。

結(jié)語

一方面，激光雷達(dá)公司希望憑借新技術(shù)，將性能發(fā)揮到極致。

如李一帆所說，“激光雷達(dá)這類產(chǎn)品，我們希望它的主要功能是，在發(fā)生概率僅為萬分之一甚至百萬分之一的極端危險情況下，我們做的所有事加起來能救車上人員的命。”

對于追求極致性能（如300線以上）和全固態(tài)的下一代雷達(dá)，車企愿意為SPAD的潛力支付溢價。

另一方面，實(shí)現(xiàn)降本，也極為迫切。

200線以內(nèi)，基于ASIC架構(gòu)的SiPM方案目前還具有顯著的單線成本優(yōu)勢。以SiPM為例，一些公司今年發(fā)布的激光雷達(dá)產(chǎn)品，在確保激光雷達(dá)點(diǎn)頻不變甚至有所提升的前提下，大比例減少了接收通道。

身處競爭激烈的汽車行業(yè)，激光雷達(dá)的商業(yè)觸角已伸向了機(jī)器人和海外市場。為擺脫低毛利競爭的泥沼，唯有不斷前進(jìn)。

—THE END—

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