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由于優異的物理特性，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實現更好的優勢互補，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）聯合創始人/首席技術官（CTO）俞坤治博士在分享車載固態激光雷達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發展到今天多通道芯片間線對線的混合固態，未來將朝著2D收發器件間塊對塊的全固態形態發展。隨著技術的演進，激光雷達已成為實現自動駕駛/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高清地圖繪制，進行點頻匹配后實現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域（ROI），基于全卷積深度神經網絡學習點頻特征并預測障礙物相關屬性；第三是根據激光雷達感知數據與障礙物所在車道的拓撲關系進行障礙物軌跡預測，以此作為無人車規劃的判斷依據。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，激光雷達在形態上一直在變化和演進，首先是從機械旋轉逐步轉變為現在的混合固態，未來還會到全固態，采用OPA或電子可尋址方式實現無機械掃描旋轉的激光雷達設計；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；最后是掃描和數據獲取趨勢的演進，從開始的點對點測距關系，到線掃描和數據獲取，再到未來的區塊對區塊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，預計系統中會采用多顆激光雷達。

02 SPAD SoC技術推進固態激光雷達進展

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技術的激光固態激光雷達具有幾個主要優勢：

一是高靈敏度和高動態范圍。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（時間相關技術）技術路線，可以使方案具備更高的動態范圍。

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；同時將感光區域和前端信號處理模塊、后端數字處理模塊集成到一個芯片中，實現更小體積方案；并將更多通道集成在SPAD芯片內部，相比傳統方案單位時間內輸出的點頻數更高，提高了系統幀率。

三是配置靈活，采用SPAD技術既可以支持1D可尋址VCSEL設計方案，也可配合2D可尋址VCSEL實現光源設計，靈活配置支持多種系統應用方案。

四是低成本，高集成度、設計靈活度都有助于優化BOM成本，另一個隱性優勢是，利用符合車規要求的電子元件可將研發周期及可量產性提高一個數量級，從而進一步降低生產成本。

03 SPAD面陣激光雷達的設計挑戰

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。器件設計首先關注的指標是間距和尺寸，已決定激光雷達系統中的分辨率和角分辨率；其次是PDE和DCR，決定系統信噪比和系統能力；第三是串擾，它是并行處理方案激光雷達系統中一個非常關鍵的系統級參數。此外，還有抖動/后脈沖、死區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一個很關鍵的參數是可同步并行處理的通道數量，它是SPAD邏輯電路中最核心的設計之一，對內會受芯片功耗、面積、走線難度、時鐘樹設計難度等指標的限制，對外決定系統幀率、點頻、最大測量距離、像素分辨率等系統級設計指標，所以如何權衡并行處理是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、距離精度要求的權衡。DSP和各個讀出電路之間的匹配關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要求。二是車規功能安全的開發，與激光雷達強相關的內容包括SPAD檢測以及核心功能失效判斷模塊，產品封裝和測試也要滿足車規要求，包括SPAD器件的三溫測試以及卡控標準的設定。

04 SPAD技術為固態激光雷達賦能

俞坤治博士認為，SPAD技術路線能夠提升固態激光雷達系統的性能，顯性提升方面，包括高靈敏度、高動態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路線有更穩定、更強的信號輸出能力。

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

05 SPAD陣列SoC產品亮點

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，具有高PDE能力，采用全局快門處理模式。芯片內集成的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，在提升可靠性及使用壽命、降低成本的同時，上車的產品必須嚴格遵守車規認證要求。芯視界針對用于車載補盲固態激光雷達產品嚴格按照車規安全標準設計制造并通過認證。

該芯片具有高靈敏度、高動態范圍、高可靠性、系統簡單易集成等優勢，有助于固態激光雷達實現高度集成和小體積，以較低的功耗實現看得又遠、又快、又準，助力固態激光雷達早日量產上車。