安森美半导体智能感知策略和方案应对行业应用挑战

日期:2020-09-29


作者:刘洪,PSDC主编

 
日前,安森美半导体举办智能感知策略及方案在线媒体交流会,安森美半导体智能感知部全球市场及应用工程副总裁易继辉(Sammy YI)以两个视频开始了演讲,第一个是美国硅谷方舱医院的无人驾驶送货小车忙来忙去递送货物;第二个是武汉疫情期间京东送货小车送药品给医务人员。两者的共同点在于,应用的都是安森美半导体的智能感知方案。



他表示,现在的智能感知技术在很多行业都有应用,尤其在汽车、机器视觉等方面应用趋势看好。接着,他介绍了过去一年安森美半导体和部门的一些发展,包括产品、技术和市场的一些变化,公司的技术和市场方案。
 
现代图像传感器的发明者
易继辉介绍说,安森美半导体的前身是摩托罗拉半导体,1999年拆分出来,2000年在美国纳斯达克上市,涉猎市场范围非常广泛,主要有汽车、工业、通信、消费类和计算。公司最大的市场份额是汽车、工业和通信。这些行业的共同点是:对产品性能要求非常高;对产品质量和可靠性要求非常高;对产品长期供货的持续性要求非常高。
安森美半导体继承了摩托罗拉的传统,包括“六西格玛”质量管理控制系统。如今,安森美半导体现已成为半导体行业的新兴领袖——前20大集成器件制造商和顶尖功率半导体分立和模块半导体供应商。
按照收入划分安森美半导体有三个产品部:电源方案部(PSG)、先进方案部(ASG)和智能感知部(ISG)。他的智能感知部的历史并不是很长。通过一些战略性并购,公司在2014年成立了这个部门。从营业额来看,ISG不算最大,但是成长速度最快。
 

 
让易继辉引以自豪的是,安森美半导体ISG正是现代图像传感器的发明者。尽管ISG迄今只有六年历史,但公司在成像传感器行业,已有超过40年的悠久历史。几次重要战略性并购包括来源于贝尔实验室CCD影像的柯达影像;为阿波罗登月开发出全球首款CMOS图像传感器的Aptina等。20多年后的今天,CMOS图像传感器已经普遍应用。
 

 
安森美半导体还创造了很多行业第一。Bayer Pattern(拜耳阵列),也就是RGB红蓝绿模式,是该公司一位老员工的专利。2005年,该公司开发出全球首款车规级CMOS图像传感器。迄今为止,安森美半导体已经给市场提供了超过5亿件图像传感器,都已用在车上、路上。
三年前开始,安森美半导体又陆续收购了IBM在以色列的毫米波雷达研发中心,以及专注于飞行时间(ToF)激光雷达传感器开发的爱尔兰SensL公司。所以,该公司在图像传感器方面拥有行业内最多的成像专利、最庞大的传感器产品阵容,再加上强有力的供应链,安森美半导体每周销售的芯片总数就超过10亿件。
 
致力于汽车、机器视觉和边缘人工智能
易继辉说,智能感知部门有三个主要的市场方向:汽车、机器视觉和边缘人工智能。汽车行业是非常传统的行业,但最近几年,由于电力化和智能化,使这个行业产生了新的动力,特别是智能化,各种感知产品的应用,使汽车变得更加安全、更加舒适。这个市场成长也非常快。安森美半导体在汽车的智能感知方面的成长速度,远比汽车本身的成长速度快得多,因为汽车采用新技术的速度非常快。
他继续说,机器视觉也是一个历史很悠久的行业,因为工业4.0加上自动化、人工智能的导入,使这个行业有了新的活力,成长速度非常快。特别是在中国,机器视觉这几年的发展非常快。
边缘人工智能是新兴市场,主要是由人工智能、5G、IoT等新技术导入后开发出新的应用,发展非常迅速,经常会有新客户打电话说他们有新的想法和应用,希望得到帮助。这是非常有潜力的市场。在这些核心市场上,ISG已经做了非常长时间的布局和投入。
从第一次工业革命机械化到第二次工业革命电力化,到第三次工业革命计算机数字化,到现在第四代工业革命人工智能化、信息化。人工智能对人类社会的方方面面的影响和改变远远超过了计算机带来的改变。正如斯坦福大学人工智能专家、“人工智能之父”Andrew Ng所说:人工智能是新的电力,就像第二次工业革命电力给整个人类带来的巨大改变;数据是人工智能的动力和发动机;感知是数据的燃料。ISG在感知方面做了非常久的投入,包括图像感知、多光谱、高光谱的感知、激光雷达感知、毫米波雷达感知、传感器融合此类深度感知。所有这些都是在推动AI和第四次工业革命的进步。
 

 
安森美半导体在几乎所有重要的智能感知技术方面都有解决方案。超声波属于另外的产品部门,智能感知部门包括成像、毫米波雷达、激光雷达和传感器融合。如果把人工智能比作大脑,ISG是为大脑提供眼睛的部门。这些全系列智能感知方案包括用于自动驾驶、机器视觉和边缘人工智能(AI)应用的全面传感器套件。
 

 
汽车感知的爆发与挑战
易继辉认为,汽车是架在四个轮子上具有极强感知能力的计算机。过去这些年,ADAS摄像头、倒车摄像头、环视360度、监控、电子车镜、驾驶员监控、乘务员监控、车内的毫米波雷达和激光雷达都开始应用。现在最好的汽车感知系统已经远远超过人类的感知,能够分分秒秒、时时刻刻不间断地监控周围环境,这是人类驾驶员远做不到的。驾驶员经常会有分心的时候,注意力不集中疲劳,感知系统则不会有这样的问题。所以未来的自动驾驶很可能会比人类驾驶更安全,这是其中一个原因,就是它的感知系统越来越丰富,越来越全面,而且越来越强大。安森美半导体为整个汽车提供全面的智能感知方案,满足自动驾驶更高可靠性、安全性的需求。
汽车行业和几年前比已经有了非常大的改变。首先,以前大家买车的标准是经久耐用,一辈子不会坏就心满意足了。在欧洲、美国,消费者买车会看车速有多快,特别是德国,因为德国的高速公路没有限速。但现在,车已经不是只满足经久耐用这一条件的产品了,比如共享车的出现。特别是未来的自动驾驶,可能不是像现在这样一天开两个小时,多数时间停在车库里,而是可能多数时间都在开,只有一两个小时去充电、做维修。从几年前开始,我们已经朝这个方向加倍提高产品的可靠性能,以及一天持续运作十几个小时的能力。
第二,对汽车自动驾驶功能的要求已经不仅是需要“可靠的汽车”,而是需要“可信的汽车”。不只是说踩了刹车就自动停下来,踩了油门就会加速,已经不光要可靠,而是要相信它,它在一些紧急情况下能够自己做出判断,自己做决策,自己采取行动。这就是功能安全。所以,功能安全越来越重要。
第三是网络安全。车联网、智能网联汽车以后会越来越普遍,如果黑客能够进到感知系统做手脚,危险性可想而知。所以,在国外特别是欧洲,网络安全标准已经准备纳入政府和行业标准。
谈到汽车成像的挑战,易继辉认为有三个比较突出的方面:一是超宽动态(>120dB)。在路上开车有时需要逆着太阳,在自动驾驶时,这样的情况对摄像头的要求非常高。在强光下,从车库、隧道出来,如果宽动态不够,可能根本没有办法看到暗处。
二是温度范围超大(-40℃至+105℃)的环境条件,车要能在东北零下几十度的环境开,也能够在沙漠或南方高温条件下开。
三是对图像传感器来说很独特的挑战,要辨别LED指示牌、交通灯。现在中国、欧洲、美国、日本等国家的公路都已经开始实行电子管控牌,都是用LED,对人来讲非常舒服,老远就看得清清楚楚,很明亮,特别是夜晚。但这样的LED因为闪烁频率没有标准,图像传感器有时容易因频率不同步捕捉不到信号,对机器视觉是很大的挑战。过去的方案都是用软件解决,现在的解决方案都是在芯片级直接解决。
 

 
在汽车自动驾驶场景中,成像的多样化包括外部感知、内部感知、增强视觉。外部感知非常复杂,包括远近、大小车辆、自行车;行人(大人、小孩、老人);一些路标、车道线、斑马线、交通灯;白天、晚上、刮风、下雨、下雪、雾天等全天候;各个季节,如春、夏、秋、冬都要能够实现这样的感知,环境非常多样化。
内部感知,从最早对驾驶员的疲劳监控(从看驾驶员眼睛的注意力和睫毛的抖动侦查出是否疲劳),逐渐扩大到驾驶员有没有在用手机,有没有分散精力,有没有系好安全带,并进一步扩大到乘客感知。这也是一个未来的新兴市场。
视觉增强主要是为了给驾驶员和乘客提供更好的视觉感知,包括电子后视镜,不需要回头就能在后视镜直接看到真正的电子图像;而且可以把高清地图和真实路况叠加起来,告诉你前面哪里有加油站,哪里有重要景点,哪里有红绿灯。这些都是视觉增强的应用,让驾驶员能够更安全地驾驶。
 

 
在汽车感知市场,安森美半导体拥有领先地位,其图像传感器在ADAS和AD市场份额超过80%,2019年付运约1亿颗传感器,其中包括采用HayabusaTM新技术,同时提供汽车高动态范围及减少LED闪烁的产品,还有全球第一个可实现网络安全的图像传感器,并同时开拓了毫米波雷达和激光雷达市场。
 

 
既对付电子又对付光子的技术
据介绍,安森美半导体的图像传感器采用了最先进的技术。整个图像传感器内部结构一共有六层,都是由半导体制成。实际上,它比GPU和CPU半导体的挑战性和难度更高。因为GPU和CPU所要对付的主要是电子(Electron);但在图像传感器里,既要对付电子又要对付光子,光子和电子的结合使图像传感器变成非常复杂的半导体器件。未来还将有更多芯片叠加起来,人工智能也可以直接放在图像传感器里。所以,这需要非常长时间的技术积累和投入。
 

 
图像传感的光电转换是将打进来的光子转换成电荷,变成电信号,就像下雨时用水桶接雨,水桶越大接的雨量越大;同样,容积越大,光子转化成电子的电容、电荷量就越多。
安森美半导体的新技术用在了好莱坞导演都非常喜欢用的高端、专业摄影机中。它在传统小像素旁边开个大的蓄水池,把多余的电荷存起来,增强光量,提高信息量,增加动态范围。现在这个技术逐渐应用于汽车传感器及工业机器视觉等领域。Hayabusa系列产品就用了这个技术,一次曝光就能实现95dB,这是非常了不起的进步。经过多次曝光可以达到120dB,未来的下一代产品一次曝光能够达到110dB,多次曝光可以达到140dB,这是世界整个行业中领先的一个指标。
为什么宽动态非常重要?左图是动态不好的情况,照顾了暗的部分,亮的部分就失去了。宽动态好,不光暗的地方看得非常清楚,在亮的地方,包括红绿灯,前面的车辆都能看得很清楚,这就给人工智能算法提供了非常准确和全面丰富的信息,可以做出非常准确和安全的判断。因此宽动态对汽车应用非常重要。
 

 
另外一个是车灯场景,它的宽动态范围是102dB。如果传感器只是70dB,很多细节都看不出来。比如旁边有一个行人,如果传感器的宽动态不够,完全看不出来有一个行人。所以,要使用110dB的传感器来提供非常详细的信息。
 

 
还有一个场景是夜视条件,几乎没有灯,相当于一个暗室。新一代产品采用近红外+(NIR+)像素技术,近红外光电转换效率提高了4倍,可以看到更多信息。真正用到汽车上,一个是安全,一个是事故,这非常重要。其应用包括驾驶员监控、乘员监控、外部微光360度感知。
 

 
安森美半导体的汽车智能感知产品覆盖面非常广泛,包括视觉、自动驾驶、车舱内智能驾舱、边缘计算、毫米波雷达、激光雷达等等。
 

 
当前,国内开始越来越重视智能驾驶舱,驾驶员监控的应用越来越广泛,包括驾驶员识别,调节座椅位置、空调温度、电台,还可以在驾驶员离开车后自动发短信,提醒在车里忘记了什么东西。这都是智能驾驶舱可以逐渐提供的一些功能。
 

 
智能驾驶舱解决方案需要极佳的红外(IR)响应以清晰地看到驾驶员眼睛;极佳的全局快门效率,获得明亮环境下的受控图像;全面的产品线,如VGA至2MP以上;强大的软件伙伴关系,应用程序可以根据全局快门产品进行调整;驾驶员监控方案(DMS)参考设计。
安森美半导体有两款百万像素的产品,AR0144AT是整个业界用量最大的一款。智能驾驶舱的一个挑战是尺寸,目前的摄像头尺寸太大,18×18cm3,最小的也是3×3cm3,安森美半导体和合作伙伴一起开发了0.5×0.5cm3的小型摄像头,放在车里,乘客、驾驶员基本上都不会注意到。
 

 
下一代汽车应用雷达不可或缺
安森美半导体既有激光雷达,也有毫米波雷达。激光雷达的传统技术是APD,叫做雪崩光电二极管。其缺点是体积大,功耗高,侦测距离范围有限,一致性不好。安森美半导体的技术叫SiPM(硅光电倍增管),优势在于其增益是APD的1万倍,灵敏度是APD的2000倍,工作电压要求非常低,只要30V,而APD要250V。它的一致性非常好,特别在大批量生产时。
 

 
易继辉说,在激光雷达产品上,公司按照传统产品战略提供整体系统方案。激光雷达是由激光发射源和激光素的发射、激光素的接收、激光传感器、放大器、点云的形成、功率电源管理、激光驱动器几大块组成。激光源、激光素发射、激光素接收的器件是和合作伙伴合作,其他电子线路和激光的接收器则自己开发系统级方案。
安森美半导体的毫米波雷达适用于L1、L2、L3、L4和L5,在不同级别有不同的应用。其下一代毫米波雷达产品的重点放在L3,新开发的专利技术叫做“MIMO+”。它能够提供4D信息,R是距离,V是速度,A是角度,E是高度,用于L3级别自动驾驶。
 

 
加上实际通道、虚拟通道,MIMO+要比竞争对手多一倍的通道。同样性能的毫米波雷达,可以节省50%的MMIC器件,减少优化控制器、线路板,可以降低总体成本。其雷达信号处理外联接口符合行业标准,不管是现有标准还是未来发展标准。
 


工业机器视觉及边缘AI市场优势
易继辉还介绍了工业机器视觉和边缘人工智能市场。Yole Development数据显示,安森美半导体在工业机器视觉领域的市场份额第一。工业4.0、工业自动化、人工智能使机器视觉市场快速发展,特别是在国内。边缘人工智能不断地、几乎每年会出现一些新领域,比如新零售,智慧农业、畜牧业和农业都开始了智能化。
 

 
以PCB检测为例,固定单位时间内所能检测的线路板面积越大,劳动生产效率就会越高。相对图像传感器来讲,单位时间内收集信息量越大,生产效率就越高。安森美半导体的PCB检测方案是2100万像素,竞争对手是500万像素和1300万像素,信息采集量大了4倍,能够成倍提高劳动生产率。
 

 
最新的XGS系列图像传感器从200万像素一直到4500万像素,有11款不同像素的产品。该系列有个最大的特点,客户只需要两块线路板设计就能支撑11款不同的传感器,相对于11个线路板就节省了大量的成本和时间。这一系列的产品性能又有极大的提高,包括帧数、宽动态、暗电流。这款29×29mm2摄像头可以放进1600万这一款传感器,也就是以后的29×29 mm2已经可以用到1600万像素的摄像头了。
另一款4K产品具有宽动态效果,适用于人眼是完全不能看的非常刺眼的场景。这款图像传感器不光能够看清场景,连灯丝都能看得非常清楚。0.2cd/cm2光照量非常低和190,000cd/cm2光照量非常高的两种情况并存时,两处场景都能看到,这非常不容易,已经超过了人眼能力。还有一个特点就是过渡噪声非常小,黑暗与明亮交界的地方轮廓非常清晰。这样清晰的数据给人工智能提供了大量的可靠数据,在这种场景下,如果人工智能完全没有办法辨识和识别物体,这款传感器就能够提供更多的信息。这款传感器还有很好的低照度能力,这是0.2勒克斯,几乎非常暗的光线下能够看得非常清楚。
 

 
另外一款是非常低功耗的,它只有小于2.5mW/s/帧,而且有自动唤醒功能,平时在休眠状态,不耗费任何电,一旦发觉到有物体移动、有人出现,自己会唤醒,是NIR+制程,所以夜间成像效果非常好。它的尺寸也非常小,1/10英寸,成本非常低。这款在去年得到一个年度图像传感器奖。
 
 

 
易继辉最后总结道,在重要领域,安森美半导体的成像方案一直领先市场,包括汽车、机器视觉、边缘人工智能;是提供完整的感知模式及方案的供应商,例如超声波、成像、毫米波雷达、激光雷达和传感器融合。安森美半导体在业界有非常悠久的历史和投入,特别是在创新和技术开发领域;对中国市场有坚定的承诺,3个制造厂和庞大的销售、售后服务团队,为中国客户提供顶级的技术和应用方面的支持。

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