索尼造車的秘密武器，藏在這顆傳感器里

作者 |  James
編輯 |  曉寒索尼真要造車了？在CES 2022發(fā)布會末尾，索尼一口氣展出了兩款概念車。索尼CEO吉田憲一郎還表示會在2022年春季成立索尼出行公司（Sony Mobility），專注于“探索電動汽車業(yè)務(wù)的商業(yè)化”。這些表現(xiàn)預示著，索尼的汽車業(yè)務(wù)已是箭在弦上。

作為全球消費電子和娛樂領(lǐng)域巨頭，索尼的影響力和地位有目共睹。但一個關(guān)鍵問題是，索尼造車的底氣究竟在哪？答案是傳感器。早在2021年CES期間，索尼談到Vision-S時就表示，希望通過自身的CMOS傳感器、固態(tài)激光雷達、傳感器融合等成像、感知技術(shù)為消費者帶來安全、可靠、舒適的出行體驗。2021年CES展出的Vision-S上有33個傳感器，其中大部分是索尼自研或使用了索尼的技術(shù)。今年CES上，傳感器數(shù)量升級到了40個。這其中有一顆名為IMX459的SPAD（單光子雪崩二極管）激光雷達傳感器（激光接收芯片）。依托索尼的雙層圖像傳感器堆疊技術(shù)，激光雷達企業(yè)可以基于IMX459造出等效線數(shù)上千的超高清雷達，讓汽車看得更遠、更清楚（300米的感知精度為15cm），并且還能以更快的速度計算出距離信息，生成3D點云圖像。

近幾年，激光雷達行業(yè)技術(shù)革新很快、雙棱鏡、MEMS、OPA、Flash、FMCW等各種技術(shù)路線不斷涌現(xiàn)，新產(chǎn)品層出不窮，但很多都還是圍繞光路設(shè)計做優(yōu)化——沒有從本質(zhì)上進行升級。索尼的IMX459顯然就突破了現(xiàn)在的創(chuàng)新困境，從最底層的激光接收和信號處理層面進行徹底改變，為激光雷達行業(yè)發(fā)展提供了新的基礎(chǔ)。IMX459只是索尼概念車上的1/40，如果其它39個傳感器也擁有類似的底層創(chuàng)新，再加上索尼在感知和自動駕駛領(lǐng)域的投資布局，“****”想造出來一臺智能電動汽車根本不是問題。可以說，看懂了IMX459，你就看懂了索尼造車的底氣。
采用SPAD技術(shù) 打造11萬像素激光傳感器

激光雷達即將迎來大規(guī)模量產(chǎn)上車之時，索尼公布了首顆車規(guī)級激光雷達接收傳感器IMX459。這顆傳感器最亮眼之處有兩點，其一是采用對光感知更敏感的SPAD（單光子雪崩二極管）技術(shù)，其二是這顆傳感器的像素數(shù)量達到了11萬，這是當前量產(chǎn)產(chǎn)品難以比擬的。從結(jié)構(gòu)上看，這顆激光雷達接收傳感器共有兩層，上層采用了SPAD（單光子雪崩二極管）技術(shù)，用于感知反射進傳感器的激光；下層則是邏輯芯片，使用直接飛行時間（D-ToF）技術(shù)，就能實現(xiàn)測距。在性能上，索尼在1/2.9英寸的傳感器面積下放進了11萬個SPAD像素，其分辨率為189x600，呈現(xiàn)出一個矩形區(qū)域。而每一個SPAD像素的尺寸僅為10微米x10微米。

說到索尼IMX459的王牌，就是那11萬像素的SPAD傳感器，它相較于傳統(tǒng)激光雷達傳感器共有兩大優(yōu)勢。其一是感光能力更強，也就是在使用相同激光****端的情況下，SPAD傳感器能感知到更微弱的光，感知距離更遠；其二是計算距離的延遲更低，索尼做到了6納秒。要理解SPAD感光的邏輯，不得不提到照相機。數(shù)碼照相機CMOS上的一個個像素，通過接收大量光子，感知到光線強度，通過控制光子進入的數(shù)量，最終實現(xiàn)正確的曝光并成像。激光雷達傳感器的感光元件和數(shù)碼相機近似，每一個像素點需要進入特定波長的大量光子，才能形成激光雷達圖像，然后通過一顆計算芯片算出感知距離。無論是數(shù)碼照相機還是激光雷達傳感器，進光量都是“底大一級壓死人”，但車用激光雷達無論是成本還是體積都非常受限，一味比誰底大并不是最優(yōu)的解決方案。而SPAD方案的興起，讓傳感器廠商找到了進光量不足的另一路徑。如果進光量不足，加上有干擾光線進入，激光雷達傳感器所成的像就會出現(xiàn)噪點。對于人類而言，一張照片中出現(xiàn)噪點，能通過智慧將噪點內(nèi)容“腦補”齊全。因此為激光雷達傳感器單獨配備一顆AI芯片，用于噪點、干擾光線處理就是路徑之一。不過，每經(jīng)過一次處理，都會產(chǎn)生一定時延，如果低時延的優(yōu)勢被慢慢磨去，自動駕駛的安全性就會降低。加入AI芯片做信號預處理雖然簡單，但實際表現(xiàn)可能并不完美。因此，如果能用微弱的進光量“代表”其他光成像，不但能實現(xiàn)更低的延遲，而且通過成像能得到噪點更少的點云圖。韓國科學技術(shù)研究院（KIST）新一代半導體研究所所長張畯然在一篇文章中闡述了SPAD傳感器的工作原理。

“當在SPAD上施加比擊穿電壓（breakdown voltage）更高的電壓時，會發(fā)生碰撞電離現(xiàn)象（Impact Ionization），巨大的電場（electric field）使載流子（carrier）加速運動并與原子碰撞，從而使原子中釋放的自由載流子數(shù)量急速增多。這種現(xiàn)象被稱為雪崩倍增（Avalanche Multiplication），會導致圖像傳感器點亮的光子產(chǎn)生大量自由載流子?！彼麑懙?。這就意味著即便激光****單元****的激光僅有少量反射回來，通過雪崩倍增現(xiàn)象傳感器仍舊能夠?qū)⒐庾哟罅吭黾樱⑶易R別為大量的光子。這就意味著，SPAD傳感器具有非常高的信噪比。同時，SPAD在接收的光子數(shù)量極少的情況下就能完成成像，因此其“快門速度”可以做到非常短，提升感知幀率。

雙層芯片架構(gòu) 響應(yīng)速度遠超現(xiàn)有產(chǎn)品

索尼除了將SPAD技術(shù)逐步推向量產(chǎn)之外，也使用了已經(jīng)打磨多年的一項技術(shù)——雙層圖像傳感器堆疊，這項技術(shù)能夠讓感知響應(yīng)速度更快。在去年2月的一次演講中，索尼半導體公司高級經(jīng)理Oichi Kumagai對SPAD激光雷達傳感器的技術(shù)路線進行了詳細介紹。

其中，邏輯電路放置在芯片底部，每一個像素尺寸為10微米*10微米。傳感器表面并非完全平整，索尼將每一個像素點做成了一個凸透鏡，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的光折射率，提升激光的吸收效果。根據(jù)索尼的測試，這一激光雷達傳感器在使用905nm波長的激光光源時，光子檢測效率能達到24%。

此外，由于每一個SPAD像素都能與下方邏輯電路通過銅-銅（Cu-Cu）組件連接起來，因此只要光子進入SPAD，就能經(jīng)過雪崩進入邏輯電路。從感知到光子，到完成數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，整個過程只需要6納秒，這一表現(xiàn)非常出色。索尼開發(fā)了數(shù)字時間轉(zhuǎn)換器（TDC），直接能夠?qū)⒐庾语w行時間轉(zhuǎn)換為數(shù)值，不需要二次計算。

國內(nèi)MEMS激光雷達廠商一徑科技的一位產(chǎn)品經(jīng)理談到，現(xiàn)在市面上其他技術(shù)路線的激光雷達接收傳感器的延遲已經(jīng)能做到比較低，從感知到生成深度數(shù)據(jù)，基本需要百納秒到幾微秒之間。然而，索尼的IMX459則是更進一步，相比此前最優(yōu)秀的產(chǎn)品，也有大幅提升。IMX459采用直接飛行時間（D-ToF）的方式測距，張畯然在其文章中說道，當光子進入時，SPAD陣列會****數(shù)字脈沖（Digital Pulse），因此更容易跟蹤光飛時間。不僅如此，SPAD還能捕捉精確的時差，因此具有精確的深度分辨率（depth resolution），精確程度甚至可以達到毫米級別。

然而，采用D-ToF方式測距帶來了一個問題，那就是感知距離短。例如，近兩年在iPhone和iPad上采用的激光雷達，就采用D-ToF方式測距，其感知距離大概僅有5米。對一款移動設(shè)備來說，5米的感知距離絕對夠用，但對自動駕駛來說5米不可用。SPAD技術(shù)再一次體現(xiàn)了它的優(yōu)勢，在同樣的激光****功率下，SPAD傳感器僅需微弱的光，也能完成成像，并且其效率不輸傳統(tǒng)傳感器硬件。

索尼還公布了其產(chǎn)品在不同溫度環(huán)境下的性能，其中光子探測效率在-40攝氏度時為14%，隨著溫度增加探測效率不斷上升，超過50攝氏度后能達到20%以上，當溫度達到125攝氏度時，探測效率有所下降。響應(yīng)時間上的表現(xiàn)更出色，當在-25攝氏度時，響應(yīng)時間為7納秒，為最慢響應(yīng)時間，其他溫度條件下的響應(yīng)時間還要更快。
上千線激光雷達不是夢 行業(yè)已有先行者

對于激光雷達行業(yè)來說，SPAD技術(shù)可以說是革命性的。主要體現(xiàn)在兩點，第一是激光雷達等效線數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大幅度提升，第二是點云處理的步驟可以逐漸淡化。目前，業(yè)內(nèi)主流傳感器方案是APD（雪崩光電二極管），隨著技術(shù)發(fā)展，SiPM（硅光電倍增管）和SPAD正在進入激光雷達領(lǐng)域。

在相機行業(yè)中，佳能已經(jīng)能做到100萬像素的SPAD傳感器，并且利用SPAD響應(yīng)更快的優(yōu)點，實現(xiàn)精準的距離測量。未來，激光雷達接收傳感器能夠像相機一樣，實現(xiàn)“像素”數(shù)量不斷增加。一旦像素數(shù)量倍增，激光****端可以做更高的線數(shù)，從而實現(xiàn)更精準的深度信息感知

這樣的提升將是APD、SiPM等技術(shù)路線難以匹敵的。激光雷達還有一大難點就是點云處理，傳統(tǒng)點云處理需要一顆芯片實時處理計算。隨著線數(shù)、頻率、角分辨率的提升，計算設(shè)備所需算力越來越大，此時還想保證低延遲輸出，并且和視覺傳感器融合就會愈加困難。然而，SPAD傳感器能夠直接輸出光子計數(shù)，并且輸出飛行時間，能夠輕松輸出深度圖像。正因為這兩點原因，索尼等SPAD傳感器供應(yīng)商如果能實現(xiàn)高像素SPAD傳感器量產(chǎn)，就能夠改變整個行業(yè)。實際上，索尼并非業(yè)內(nèi)首家使用SPAD技術(shù)的傳感器廠商。已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，明年即將上車的ibeoNEXT激光雷達，其傳感器就采用了SPAD技術(shù)。

與ibeo公司合作并推動激光雷達量產(chǎn)上車的亮道智能，對這顆傳感器有深刻理解。亮道智能一位資深工程師認為，SPAD技術(shù)是純固態(tài)激光雷達技術(shù)路線上非常重要的技術(shù)架構(gòu)之一。與此同時，行業(yè)內(nèi)還有多種測距技術(shù)路線，但這些技術(shù)短期內(nèi)還無法達到量產(chǎn)節(jié)點。據(jù)了解，ibeoNEXT除了能夠輸出X、Y、Z的三維坐標信息，還能夠利用能量信息顯示環(huán)境圖像。這個能量信息圖與人們常見的黑白照片/視頻類似，可以和激光雷達的點云信息配合同步輸出。最后，配合車上的攝像頭等其他傳感器，就能夠形成信息冗余。不過，ibeoNEXT的像素點僅有10240個，相比索尼IMX459的11萬相差很遠。即便索尼用3*3進行感知，其分辨率仍然更高。根據(jù)前文的分析，像素數(shù)量越多，所成的像越清晰，也就是索尼IMX459能實現(xiàn)更清晰的成像，這才是激光雷達更重要的意義。實際上，除了索尼基于SPAD做激光雷達傳感器之外，相機廠商佳能也正在布局SPAD傳感器，并且做出了100萬像素的CMOS產(chǎn)品。
結(jié)語：索尼加速智能汽車布局

2020年的CES消費電子展上，索尼推出了其電動汽車Vision S，標志著索尼開始布局智能電動汽車。2022年CES上，索尼推出Vision S-02，進一步加碼智能電動汽車。同時，索尼多年來影像傳感器、娛樂系統(tǒng)、聲學等領(lǐng)域的布局，在智能汽車時代將有更廣闊的發(fā)展前景。索尼在此時布局智能汽車正當其時，正在加速汽車智能化實現(xiàn)。