CMOS毫米波雷達(dá)潛力大，加特蘭出爐第二代芯片和模組

　　在“2019年慕尼黑上海電子展”期間，加特蘭微電子科技（上海）有限公司發(fā)布了第二代CMOS毫米波雷達(dá)系統(tǒng)單芯片，主要面向汽車(chē)、工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域。為此，《電子產(chǎn)品世界》等媒體訪問(wèn)了加特蘭微電子CEO（首席執(zhí)行官）陳嘉澍先生（左）和運(yùn)營(yíng)商務(wù)副總裁呂昱昭先生。

    　1 毫米波雷達(dá)市場(chǎng)

       據(jù)加特蘭提供的資料顯示，雷達(dá)市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速（如圖1），其中汽車(chē)應(yīng)用最大，工業(yè)和消費(fèi)電子目前市場(chǎng)較小，但增長(zhǎng)潛力可觀。

　　車(chē)用毫米波雷達(dá)數(shù)量之所以增加很快，因?yàn)閺钠?chē)ADAS（高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)）到自動(dòng)駕駛的演進(jìn)過(guò)程中，對(duì)毫米波雷達(dá)的需求量增加（如圖2）。具體地，全球量產(chǎn)車(chē)是每年1億輛，一輛L3以上的車(chē)需要至少5顆以上的毫米波雷達(dá)，由此可以算出汽車(chē)的需求量是很可觀的。如果再算一下潛在的超短距/超聲波的替代，那就再增加1倍的市場(chǎng)。
　　此外，隨著毫米波雷達(dá)的體積減小、成本降低，在工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)電子中也有巨大潛力。
　　2 CMOS工藝的優(yōu)勢(shì)
       如今，77GHz汽車(chē)毫米波雷達(dá)的CMOS工藝爆發(fā)期已到。此前，毫米波雷達(dá)經(jīng)歷了砷化鎵工藝、SiGe工藝（如圖3），從2017年開(kāi)始流行CMOS工藝。CMOS工藝已被成功地大量運(yùn)用在手機(jī)通信中，諸如Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS等，每個(gè)細(xì)分領(lǐng)域出貨量都超過(guò)10億個(gè)。
　　CMOS的特點(diǎn)是低造價(jià)、集成度高。為此，加特蘭也圍繞CMOS工藝，2017年發(fā)布了第一代77 GHz毫米波雷達(dá)射頻前端芯片——Yosemite系列，以及用于工業(yè)和消費(fèi)電子的60 GHz毫米波雷達(dá)射頻前端芯片——系列，涵蓋了從短距、中距到長(zhǎng)距的一體化解決方案。2019年3月，加特蘭又發(fā)布了第二代產(chǎn)品——Alps系列。

　　那么，CMOS為何比傳統(tǒng)的Bi-CMOS工藝有優(yōu)勢(shì)？
　　首先，Bi-CMOS就是SiGe工藝，2007年開(kāi)始就可以做了。Bi-CMOS工藝因?yàn)榧尤肓随N類(lèi)元素，使晶體管更加活躍，所以它的工作頻率可以更高。但是，Bi-CMOS工藝是難以做到大規(guī)模集成的，因而無(wú)法集成大量的數(shù)字處理能力。
　　第二，Bi-CMOS絕大多數(shù)的晶圓是8英寸的，而CMOS很多是標(biāo)準(zhǔn)的12英寸晶圓，所以成本上面CMOS更有優(yōu)勢(shì)。
　　第三，CMOS工藝已被大量應(yīng)用在各種領(lǐng)域，諸如個(gè)人計(jì)算、通信等，這些細(xì)分領(lǐng)域的年出貨量在幾十億個(gè)。而B(niǎo)i-CMOS工藝的應(yīng)用局限在一些高頻領(lǐng)域，諸如光通信或一些基站的高速回傳，那些應(yīng)用領(lǐng)域的年出貨量只有千萬(wàn)級(jí)。所以CMOS工藝的經(jīng)濟(jì)規(guī)模帶來(lái)的成本效應(yīng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他半導(dǎo)體工藝的，這也是為什么加特蘭想要去用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)任何看起來(lái)不太可能實(shí)現(xiàn)的這些應(yīng)用。加特蘭公司CEO陳嘉澍先生指出：“半導(dǎo)體行業(yè)有一個(gè)規(guī)律，任何能用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品，最終都會(huì)用CMOS工藝去實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)大量普及。”

　　3 加特蘭的CMOS芯片的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

       既然CMOS有很多顯著的優(yōu)勢(shì)，例如低成本、高集成度，但是為什么很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)并沒(méi)有用來(lái)做77 GHz毫米波雷達(dá)？
　　因?yàn)樵诤荛L(zhǎng)一段時(shí)間里，由于CMOS的制程所限，使晶體管的速度達(dá)不到足夠高的工作頻率。大約從2010年開(kāi)始，CMOS進(jìn)入40 nm之后才具備這種可能性。加特蘭也是在具備了這種可能性之后的第一批挖掘其潛力的公司。
　　加特蘭在毫米波集成電路的設(shè)計(jì)方面的積累是非常深厚的，從2004、2005年就開(kāi)始研究怎樣用標(biāo)準(zhǔn)的低成本CMOS工藝去實(shí)現(xiàn)高頻的集成電路，以及模塊和系統(tǒng)層面?？梢?jiàn)，雖然加特蘭成立于2014年，但是核心團(tuán)隊(duì)此前的經(jīng)驗(yàn)積累已超過(guò)10年。
　　那么，加特蘭在研發(fā)過(guò)程中遇到了哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？
　　首先是怎樣在標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字CMOS工藝上實(shí)現(xiàn)毫米波頻段的電路，并且是一個(gè)完整的系統(tǒng)，包括鎖相環(huán)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、混頻器等，并且讓這些系統(tǒng)能夠工作在汽車(chē)所要求的溫度范圍：-40℃到120℃。CMOS工藝是被大量使用的半導(dǎo)體工藝，但是它本身不是為高頻電路、高頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的，它的最大能力還是在于數(shù)字的集成。因此，需要充分了解CMOS工藝的半導(dǎo)體特性，能夠把潛在的工作在高頻的特性能力發(fā)揮出來(lái)，并且做到符合汽車(chē)所要的溫度范圍，同時(shí)會(huì)用大量的數(shù)字電路去保護(hù)或去增進(jìn)模擬電路的一些短板和缺陷，讓整套系統(tǒng)工作得比用一個(gè)簡(jiǎn)單的工藝要更好。
　　第二點(diǎn)在于第二代Alps不僅有射頻前端，還有整個(gè)雷達(dá)信號(hào)處理引擎，因此怎樣實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能、低功耗的雷達(dá)處理基帶是一大挑戰(zhàn)。加特蘭之所以不用標(biāo)準(zhǔn)DSP的原因也是在于采用硬件加速ASIC的方式可以實(shí)現(xiàn)更高的性能、更低的功耗。當(dāng)然這要求設(shè)計(jì)者對(duì)毫米波雷達(dá)信號(hào)處理有充分的認(rèn)知，這會(huì)涉及大量算法開(kāi)發(fā)的工作，尤其是針對(duì)汽車(chē)場(chǎng)景的算法。汽車(chē)的雷達(dá)場(chǎng)景和傳統(tǒng)軍用的空中雷達(dá)還是很不一樣的。所以，這部分其實(shí)也是一大設(shè)計(jì)難題，整個(gè)業(yè)界也是處于早期開(kāi)發(fā)的階段。所以，加特蘭投入了很多的精力——怎么樣把整個(gè)雷達(dá)信號(hào)處理引擎集成到單芯片上，并且和射頻前端無(wú)縫銜接、同步配合工作。
　　4    與激光雷達(dá)、攝像頭的關(guān)系

       目前智能駕駛核心的兩個(gè)傳感器是視覺(jué)和毫米波雷達(dá)，已經(jīng)被一定程度上應(yīng)用在乘用車(chē)上面了，也將是未來(lái)L2到L3級(jí)別智能駕駛的主力傳感器。
　　激光雷達(dá)現(xiàn)在更多的是應(yīng)用在無(wú)人駕駛測(cè)試車(chē)上面，其最大瓶頸還是在于成本非常高，一顆激光雷達(dá)的成本可能接近于一輛整車(chē)的成本，在短期內(nèi)是比較難實(shí)現(xiàn)在乘用車(chē)上裝配的。所以如果看近5年甚至更長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)智能駕駛的普及，最主要是視覺(jué)和毫米波雷達(dá)這兩種傳感器的普及。
　　加特蘭聚焦在毫米波雷達(dá)這部分，希望通過(guò)提供高集成度、低造價(jià)和易使用的CMOS芯片，能夠讓更多的（汽車(chē)一級(jí)供應(yīng)商）和更多的OEM（整車(chē)廠）盡快導(dǎo)入毫米波雷達(dá)傳感器，讓它們不僅僅用于高端車(chē)， 甚至中端車(chē)、低端車(chē)都能用。
　　那么，毫米波雷達(dá)與攝像頭的關(guān)系是如何的？實(shí)際上，各種傳感器未來(lái)是共存的。每種傳感器有它的優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。視覺(jué)的優(yōu)點(diǎn)在于信息量大，可以識(shí)別車(chē)道線(xiàn)、路牌、標(biāo)識(shí)等。但是就像人眼一樣，視覺(jué)沒(méi)法做到精確地測(cè)量距離，而且受光線(xiàn)、天氣影響都比較大。毫米波雷達(dá)是基于電磁波的，所以可以是全天候工作的，不受天氣和光線(xiàn)的影響。并且毫米波雷達(dá)可以精確地測(cè)量距離，例如100米開(kāi)外到底是100米還是101 米。
　　因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這些傳感器會(huì)共存，相互發(fā)揮自己的特長(zhǎng)，彌補(bǔ)對(duì)方的短板，因?yàn)檐?chē)也是需要冗余的。例如車(chē)的AEB（自動(dòng)緊急制動(dòng)）和ACC（自適應(yīng)巡航）系統(tǒng)通常依賴(lài)兩種傳感器融合，未來(lái)即便一種傳感器有足夠的能力，也需要另外一種傳感器去提供數(shù)據(jù)的互相檢查，提供足夠的冗余性。

　　5    與超聲波、視覺(jué)的關(guān)系

       超聲波傳感器確實(shí)已經(jīng)被大量地使用了，但是短板也是很明顯的。第一，其測(cè)量距離非常有限，可能只覆蓋3到5米。在較長(zhǎng)距離，例如監(jiān)控車(chē)流，需要探測(cè)幾十米；探測(cè)液面高度，也許是幾十米的高度，這方面超聲波是沒(méi)法滿(mǎn)足的。
　　關(guān)于手勢(shì)識(shí)別，其實(shí)超聲波、視覺(jué)和雷達(dá)都能做手勢(shì)識(shí)別，各自有各自的優(yōu)點(diǎn)和短板。視覺(jué)的短板在于其實(shí)很多手勢(shì)識(shí)別是消費(fèi)電子產(chǎn)品，可能有一些隱私的問(wèn)題，用戶(hù)不太希望整個(gè)東西暴露在監(jiān)控之下。超聲波可以做近距離的探測(cè)，但是超聲波的短板在于探頭必須是外露的，這一定程度上會(huì)影響產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)，用戶(hù)會(huì)看到兩個(gè)探頭在外邊，例如倒車(chē)?yán)走_(dá)，你可以看到車(chē)上有很多地方打了孔，因?yàn)樘筋^必須曝露在外面。
　　而電磁波的好處在于可以隱藏在設(shè)計(jì)里面，不破壞整個(gè)外觀。如果未來(lái)取代超聲波倒車(chē)，車(chē)上根本不用打洞，它可以放在保險(xiǎn)杠的后面。而放置超聲波雷達(dá)，需要每輛車(chē)的顏色都適配一種。
　　手勢(shì)識(shí)別也是一樣的，如果是手表或手機(jī)，用戶(hù)不希望看到超聲波的探頭，而毫米波雷達(dá)可以隱藏在屏幕或者是外觀的后面。
　　還有一點(diǎn)，超聲波是不能探測(cè)方向的，只能知道這個(gè)東西離你多遠(yuǎn)，需要多個(gè)超聲波傳感器協(xié)同測(cè)量，因此整體方案的復(fù)雜度和體積會(huì)增加。
　　那么，毫米波的功耗如何？
　　相比視覺(jué)和超聲波，毫米波雷達(dá)是可以做到功耗最低的。因?yàn)槌暡ㄒ敵雎暡?，探測(cè)幾米的話(huà)需要非常高的電壓，所以功耗并不低。
　　由于雷達(dá)傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景不同，取決了它里面的算法實(shí)現(xiàn)和射頻的配置不太一樣?，F(xiàn)在加特蘭做的適合車(chē)載的Alps芯片是77 GHz的，能探測(cè)一二百米的距離，可同時(shí)探測(cè)上百個(gè)目標(biāo)。在消費(fèi)電子手勢(shì)識(shí)別的應(yīng)用里，由于沒(méi)有這么遠(yuǎn)的距離探測(cè)需求，也不需要探測(cè)很多目標(biāo)，一定程度上是可以簡(jiǎn)化的，因此功耗不會(huì)和汽車(chē)?yán)走_(dá)是同一個(gè)量級(jí)。
　　6    未來(lái)方向

       加特蘭首先還是聚焦在毫米波雷達(dá)傳感器芯片的研發(fā)上，接下來(lái)會(huì)進(jìn)一步提高探測(cè)的性能，包括進(jìn)一步針對(duì)一些應(yīng)用進(jìn)行小型化開(kāi)發(fā)，高性能方面還包括目標(biāo)數(shù)量的增多。再有，會(huì)研發(fā)新的射頻芯片部分的架構(gòu)和模塊，還會(huì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)雷達(dá)的算法。
　　7    加特蘭及第二代芯片的背景介紹

       加特蘭微電子2014年成立于上海，創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)來(lái)自硅谷海歸。公司擁有毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的完整車(chē)規(guī)級(jí)芯片開(kāi)發(fā)流程，是全球第一家量產(chǎn)CMOS毫米波雷達(dá)收發(fā)單芯片的公司，也是亞洲第一家通過(guò)車(chē)規(guī)認(rèn)證的77 GHz毫米波雷達(dá)芯片公司，全球第一家成功導(dǎo)入前裝車(chē)輛并量產(chǎn)的CMOS- 77 GHz毫米波雷達(dá)芯片公司。
　　此次加特蘭發(fā)布了第二代產(chǎn)品——77 GHz的Alps SoC。這一代與之前的產(chǎn)品有很大的提升和變化。最重要的是除了射頻部分的性能提升之外，很大一部分是在數(shù)字部分，里面包含了雷達(dá)的處理引擎，即有CPU，這樣把數(shù)字部分做得更加完善了，優(yōu)勢(shì)是可以 縮短客戶(hù)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程；再有，隨著集成度的提高，也會(huì)讓整個(gè)芯片包括系統(tǒng)的成本再次下降。
　　另外， 還有基于77 GHz Alps SoC 的Alps AiP(Antenna in Package)產(chǎn)品，其最大特點(diǎn)是把天線(xiàn)/高頻最難做的部分集成到封裝里了，這樣尺寸會(huì)變得更?。涣硗獠恍枰僮鎏炀€(xiàn)的設(shè)計(jì)，免去了后續(xù)的開(kāi)發(fā)和高頻的板材；再有是成本會(huì)進(jìn)一步下降。
　　第三，加特蘭還推出一款產(chǎn)品是60 GHz的AlpsSoC，面向工業(yè)與消費(fèi)類(lèi)電子，是與加特蘭77 GHz的Alps SoC芯片兼容設(shè)計(jì)的。
　　加特蘭所有系列的產(chǎn)品都會(huì)在2019 年二季度開(kāi)始供樣，四季度正式量產(chǎn)。

    （注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第26頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處）