安森美半导体智能感知策略及解决方案深度解读

日期:2019-05-23


作者:刘洪,PSDC主编

 
安森美半导体在京举办以智能感知策略及方案为主题的媒体交流会,该公司智能感知部全球市场及应用工程副总裁易继辉(Sammy YI)介绍了公司最新的智能感知发展策略,分析了汽车、工业和边缘人工智能(Edge AI)等市场的需求和趋势,同时分享了公司的重点智能感知方案和技术;并就媒体关心的相关热点进行了交流和探讨。
易继辉表示,在汽车智能化、机器视觉、工业自动化等不断推进的行业大趋势中,智能感知发挥着关键作用。安森美半导体在汽车感知和机器视觉领域的市场份额均为全球第一,拥有领先的技术优势和全面的解决方案阵容,边缘人工智能的全局快门技术也领先行业。
他表示,该公司的智能感知业务的未来将聚焦在这三大策略市场的增长机会,不断扩展持续创新的方案阵容。
 
智能感知市场三箭齐发
易继辉首先介绍说,安森美半导体公司分三个产品部门:电源方案部(PSG)、模拟方案部(ASG)和智能感知部(ISG)。众所周知,安森美半导体在整个电源行业表现非常出色。
按终端市场收入划分,公司汽车市场约占比1/3,工业市场约占比1/4,通信市场约占比1/5;按区域市场收入划分,亚太地区占比总收入超过2/3,其中中国市场举足轻重。在代理商的使用方面,和代理公司维持紧密的合作关系是安森美半导体的一个战略方向。目前一些竞争对手在代理使用上都在逐渐减少,而安森美半导体却逐年增加。
他说,公司智能感知部研发CMOS和CCD图像传感器、图像信号处理器、雷达和激光雷达,主要用于汽车、工业、医疗、和航空/国防市场,而汽车、机器视觉、边缘人工智能是最重要的三大市场方向,所提供的技术、产品和能力主要也是针对这三个方向。
 
 
他认为,智能传感器、深度感知、传感器融合是感知未来发展的三个趋势。智能感知已经不是传统的图像传感。传统的图像传感技术很大程度依靠手机开发,因为手机原来图像传感器用得非常多。现在智能传感器广泛应用在汽车、机器视觉、边缘人工智能这三个领域,很多新技术是先开发出来,后运用到手机里。
较之汽车、机器视觉和边缘人工智能有很大的不同:一是像素,现在很多手机厂商都在宣传自己的像素级别,如2000万像素、1600万像素,但是人眼仅能够鉴别1600万像素左右,再高对于人眼也没有区别。但是智能传感对于像素识别几乎没有边界。随着人工智能对像素分辨、理解和判断能力需求的提升,图像传感器对于像素识别要求也越来越高,这是一个很大的趋势。
在这三个板块中,全球世界500强,包括一些新型创新企业都是该公司的客户。安森美半导体的目标是“创造超越人眼的视觉”。现在有一些功能已经完全超过了人眼视觉,但这只是安森美半导体技术研发的开始。
 
自动驾驶成为焦点
接着,易继辉详细介绍了汽车智能感知应用,以及安森美半导体提供的宽广的汽车传感器阵容。2018年,安森美半导体占整个超声波行业市场份额的60%。2017年安森美半导体收购了IBM海法研究小组(IBM Research Haifa Lab)在以色列的毫米波研发中心,现在可以提供毫米波雷达方案。2018年5月,公司收购了爱尔兰SensL Technologies公司,它的核心技术之一是SPAD(单一光电雪崩二极管),该产品具有非常高的感光效应,具有上百万、上亿的感光倍数。
现在,安森美半导体是全球唯一一家拥有所有感知技术的公司,打破了行业间的壁垒。传统的公司发展会主攻某个领域,比如研发毫米波雷达的公司就专注于将毫米波雷达的能力发挥到极致,研究激光雷达的公司则思考如何将激光雷达的能力发挥到极致。安森美半导体的战略布局是如何提升综合能力,达到综合能力的极致,以宽广的产品阵容满足客户全方位的需求,而不是满足于在某一个领域做到极致。这是公司的战略布局,也是未来的一个优势。
他表示,图像传感器是整个半导体行业复杂程度最高的技术。图像传感技术要将光子和电子二者结合,把光转换成电,再把电转换成光,这里面包含了很多前沿技术。光转换成电后,通过数字线路和模拟线路进行传输。现在安森美半导体已经可以做到两个芯片堆栈,并已在批量生产。未来会做三个芯片堆栈的量产,以后还可以把一些处理器和存储器都直接加载到图像传感器中。
在解释宽动态应用时,易继辉演示了去年推出的一个产品与竞品在北美非常著名的一个隧道做的宽动态测试。右边的图片基本上能够看到隧道外面的车、行人和隧道墙壁的细节,而左边图片上隧道外面则一片空白,甚至连隧道墙上的细节都已经模糊。人眼可以识别这是隧道,但机器视觉却无法识别。
 
 
另一个应用是夜间行车,特别是遇到相向而行的车开启大灯的时候。在宽动态102dB的情况下,可以看到路边行人的轮廓,那人工智能就可以判别出有行人。但如果宽动态在90dB或80dB,人工智能算法就没有办法判断人的存在。所以,宽动态在汽车应用中非常重要。
他说,现在汽车智能感知元器件越来越多。目前启用启动驾驶的车辆拥有9个图像传感器,而下一代正在开发的图像传感器已经超过12个,还有接近20个正处于研发阶段。同时还配备有10个雷达,至少2个超声波,将来也会配置至少1个激光雷达。所以,现在汽车的感知能力已经比驾驶员更强。驾驶员的视线范围一般只能覆盖前方180度,加上余光,可能超过200度,而汽车智能具有360度感知能力。
另外,驾驶员可能会有几毫秒的精力分散情况,而智能感知可以全时候地跟踪、检测和计算。感知技术搭配人工智能,未来自动驾驶和智能驾驶一定会比人类更可靠、更安全,只是现阶段技术还尚未成熟。
 
 
汽车图像传感器在整个市场的应用包括4个方面,一是 先进驾驶辅助系统ADAS;二是车舱内摄像机,这是下一代智能汽车应用中发展非常快速的一个应用;三是视觉摄像机和摄像机监控系统(CMS),一些大型卡车已经开始应用该系统来取代车镜,能够节省5-10%的能源;四是自动驾驶,汽车品牌对图像传感非常重视,图像传感器在半导体行业平均成长率为2-3%,这是整个半导体行业发展过程中的一个亮点。
 
汽车图像传感器市场一枝独秀
易继辉自信地表示,在整个行业,安森美半导体提供最完整的系列产品,产品的性能和功能都处于行业领先,满足各个级别的像素需求(130万像素至1200万像素等),高端摄影机里面的宽动态技术如今也被应用到汽车领域。
安森美半导体是一家专业的汽车半导体公司,很多竞争对手是从专业消费电子转入到汽车,安森美半导体从摩托罗拉半导体就开始了投入到汽车领域的研究,现有的一些产品已经卖了三、四十年之久。到目前为止,已经有超过4亿个汽车摄像机使用安森美半导体的图像传感器在路上跑,而且安森美半导体的产品质量也是有口皆碑的。
半导体在汽车应用中除了性能之外,功能安全也至关重要。自动驾驶不光要可靠,更要可信。当你开启自动驾驶车,坐在里面的时候,要让你感觉自在,要让你相信这部车的自动驾驶能力。要做到可信,就要从最底层的元件做起。
他强调,网络安全现在越来越重要。对于汽车自动驾驶,如果有黑客可以控制汽车自动驾驶系统,或者在系统上做一些手脚,就会造成极大的危害。所以,网络安全对汽车而言越来越重要。安森美半导体是全球第一个把网络安全的功能加到图像传感器中的半导体公司,目前产品已经处于量产阶段。
安森美半导体的核心技术Clarity+能够把Viewing和Sensing技术结合。现在市场上人工视觉使用一个相机,机器视觉使用另外一个相机。而一个使用安森美半导体的相机既能做到机器视觉信号又能提供人工视觉信号,这是系统集成的一项技术。
目前,安森美半导体有专门的团队开发生态系统合作伙伴,与图像传感器或激光雷达有关系的友商、供应商开展深入的合作,建立合作生态系统。该系统分为三个层面:第一个层面是保证在产品上能够对接,即安森美半导体的新开发的产品能够和合作伙伴的新产品可以对接;第二个层面是在产品线路图上能够对接,即安森美半导体新产品的线路图能够与友商的下一代新产品的线路图对接上;最深层次的就是产品的概念上的契合,即在产品定义之前就跟友商、合作伙伴一起研究如何对新一代产品作优化。
 
汽车智能感知产品阵容丰富
会上,易继辉还介绍了安森美半导体丰富的汽车智能感知方案阵容。安森美半导体是全球唯一一家提供全方位智能感知方案的供应商,包括超声波、成像、毫米波雷达、激光雷达和传感器融合。
应用于汽车的一个技术是近红外+(NIR+)像素技术。该技术原来在安防领域最先开发,而后应用到汽车领域。汽车在夜间行驶的时对近红外的要求非常高。安森美半导体现在开发的产品的近红外频段在大约850纳米至940纳米之间,增加了约4倍的近红外灵敏度。感光度提高有2个好处:第一,如果感光度低,低照度就不好,捕捉信号的效果就不完整;第二,如果感光度低,可能要用LED来补光,大功率的LED会产生非常大的功耗,如果近红外灵敏度提高,首先可以省电,再者可确保信号捕捉的全面,提升信号清晰度。这项技术在汽车应用上也越来越广泛。
 
 
另一个应用是LFM(LED Flicker Mitigation)技术,即LED防抖技术。因为LED在闪烁的时候,频率都不一样,几乎没有一个业界标准。比如,红绿灯,如果摄像机的频率和红绿灯的频率不吻合就捕捉不到信号。所以,在汽车LFM对整车厂而言是非常大的挑战。安森美半导体目前的技术可以在获取信号后从软件分析延迟(Latency)和功耗,从传感器硬件上直接解决问题。
易继辉解释说,现在 图像传感器有两个不同技术:卷帘式快门和全局快门。全局快门是一次性即时捕捉所有信号。卷帘式是一行行扫描,中间有时差,所以当拍摄高速运转的物体时,图像就会变形。如果采用全局快门,拍摄出的效果非常清晰。七、八年之前,安森美半导体在工业扫描行业拥有超过60%的市场占有率,就是因为这项技术。这项技术目前已经发展至第八代。和竞争对手相比,安森美半导体至少超过两代。之后该技术也会应用到汽车上,特别是在驾驶员疲劳监控方面。


 
在ADAS(先进驾驶辅助系统)和自动驾驶方面,安森美半导体也开发了一系列产品。例如,安森美半导体宽动态技术能够达到140dB,目前半导体行业最多的是120dB。20分贝的差距对客户来讲,特别对人工智能的算法来讲是相当大的差距,甚至关乎能否识别差距。在比如安森美半导体的100万、200万到800万的像素微光机,其感光效果非常好,目前市场的L4自动驾驶基本上就是使用800万像素这一款产品。
舱内应用,如驾驶员监控系统(Driver Monitoring System)成长速度非常快,安森美半导体几乎全系列都有,现在到最高200万像素。边缘计算方面,安森美半导体把传感器的处理单元称为SPU(Sensor Processing Unit),安森美半导体的产品现在可以支持100万、200万、300万像素的处理。
易继辉认为,现在汽车应用的发展主要在这三个方向:一是车外的人工视觉,包括环视、后视,这是供人看的;二是车外的机器视觉,包括ADAS、自动驾驶。三是舱内监控,除了传统的驾驶员疲劳监控,现在除了疲劳监控之外,还有疾病检测、情绪/生理检测,安全气囊精准调整、人机互动(Human Machine Interaction)、虹膜识别(Iris Detection)和人脸识别等。人机互动,包括手势识别功能,如调整舱内温度、听广播、打电话等都可以用手势来操作。除了对驾驶员的监控,还有对乘员的监控,比如robot taxi(机器人出租车)的很多的功能都需要舱内监控,包括安全带提醒、儿童在场检测、物体检测和宠物检测等。这都是未来自动驾驶都要涉及到的一些应用。
 
 
自动驾驶需要保障功能安全,做到可信。整个自动驾驶系统,现在故障率单位标准是100FIT(Failure in Time)。对于子系统可以允许故障率单位标准是10FIT,对传感器就是1FIT,这是非常高的要求。要实现这样的要求,一是通过工程判断,做一些分析模拟来避免这些风险,判断它是否会有一些高风险,以及什么样的风险。这是从工程分析,它的风险非常高,可靠性不高。二是通过路上测试,现在很多自动驾驶汽车,在各个国家,包括国内北京、上海、深圳、广州,都发了路测执照。但路测再久也不能保证100%万无一失,总有遇到特殊情况或者极端情况。这不光是安森美半导体,所有的半导体公司都会遇到这样的特殊情况,当图像出现问题,人工智能就无法识别,或者能够识别也会花很长时间,造成延迟。安森美半导体在很多年前跟欧洲整车厂开始做功能安全时,采取的方法是把所有故障全部分析出来,再把这些故障注入到芯片,让它产生这些故障,以鉴别芯片的可信度。目前安森美半导体已经做到大概超过8000个失效模式,每一款产品8000个模式都要输入进去,看它的反馈。
针对自动驾驶的毫米波雷达产品现在已经处于客户评估阶段。它的优势是可以降低整个系统的成本,目前市场需要4个发射器,而安森美半导体只需要2个就能达到同样效果。随着L2、L3、L4和全自动驾驶的需求增长,以后的长距、中距和短距的毫米波雷达随着它的成本降低需求量越来越多,在汽车上的应用也会越来越多。
 
 
人工智能更需要高分辨率传感器
易继辉称,近几年,随着人工智能的开发,工业机器视觉和边缘人工智能越来越受到业界重视。除了传统工厂自动化、智能化工厂的发展,机器视觉还在智能交通、新零售、智能楼宇/家居、机器人(无人机、服务机器人、工业用机器人、送货机器人、合作机器人)等领域不断发展。目前,安森美半导体,凭借全方位的产品阵容,成为工业机器视觉的领袖。
 
 
安森美半导体既有CMOS图像传感器,又有CCD图像传感器,可达到上千万的VGA(Video Graphics Array,视频图像分辨率)。比如,安森美半导体在两年前的上海机器视觉展推出PYTHON系列,轰动业界,国内厂家纷纷使用这款产品。今年安森美半导体推出X系列,在PYTHON系列的基础上又进一步提升了性能。
 
 
XGS传感器系列采用3.2微米全局快门CMOS设计,降低了设计尺寸。它的性能非常好,包括高宽动态,低功耗架构、低噪声。同时,安森美半导体拥有全系列像素的传感器产品,客户的一个摄像机可以支持多种分辨率。
XGS 45000系列画面像素非常高,功耗低,3瓦的功耗对高端相机来说已经非常低了。它可以支持8K的视频,可以用在摄像机、专业摄像机身上,每秒60帧。不仅可以用到机器视觉,还可以应运用到高端安防,从远处也可以人脸识别。
 
 
目前AI技术、5G、IoT(物联网)不断发展,云端、物端、边缘计算也应运而生。云端计算速度非常高,感知、识别或判断、决策、行动,这四个步骤都在会云端得以处理,但它的问题是大量数据送到云端成本非常高,延时性也不好。节点就是物端。边缘设备基本上有两种,一是处理密集型,有些设备像机器人的电池储电量非常高,因为要保证机器人的行走、运动,所以对传感器智能和功耗要求并不高,它需要终端有更高的处理能力。另外一种是IoT的,这些设备有时会放在一个地方一两年,因此对耗电量的要求非常高,同时对灵活使用性要求也非常高的,因为常常需要的时候才叫醒它,不需要24小时运转。
AR0430、AR0431就是为IoT设计的。它的最大的一个特点是低功耗,在一帧的时候只有8毫安,而且其帧数可以调节,可在1帧至120帧调节。典型的应用是家中的监控相机,没有人在家里,相机就不需要费电,一旦人走动就会触动它开启。这个是安森美半导体正在开发的一款产品,还尚未发布。该产品类似全局快门,实际上它是卷帘式快门,但功能相当于全局快门。它的速率非常高,每秒250帧左右,具有成本优势,因为卷帘式快门成本较低,全局快门成本较高。其次是功耗低,现在在1帧的情况下少于2.5毫安。而且它有运动检测,可以自动唤醒。
 
 
随着人工智能的发展,智能机器人需要具有空间感,不能只是平面上的感知,还要感觉到这个人在什么位置,离我多远。目前深度映射技术有五种方法:立体视觉、结构光、飞行时间、Super Depth和雷达。安森美半导体的技术就是只需要一个摄像头,一个芯片,在不需要任何补光的前提下,就可以同时提供彩色图像和深度图像。这个客户评估下来,效果非常好。对于服务机器人、家用机器人感知周围的深度是非常合适的。
 
激光雷达创新求变
易继辉介绍说,安森美半导体今年刚刚推出的一个激光雷达产品叫做Pandion,是矩阵型的。固态光源Flash可以感知三米内的深度,扫描式的波速控制(Beam Steering),则可以感知到100米左右的深度。因为它采用了矩阵型感光点,形成400×100的矩阵。区别于传统的点云(point cloud),安森美半导体的激光雷达已经形成了图像了。0.1的lux(勒克斯,照明单位)的环境光肉眼几乎已经看不到,但是通过安森美半导体Super  DepthTM技术就可以看到。安森美半导体收购这一家公司有一个很重要的原因,激光雷达传感器实际上相当于图像传感器30年以前的技术,但是安森美半导体这么多年开发出来的图像传感技术未来完全可以融合到激光雷达的开发上。所以,这是安森美半导体走的第一步,把激光雷达矩阵化,变成图像,以后安森美半导体提到的可能就不是LiDAR point cloud,而是LiDAR image。
 
 
易继辉最后总结道,安森美半导体是至关重要的应用领域成像方案的市场领袖,包括汽车自动驾驶、工业机器视觉、边缘人工智能等;它也是全球唯一一家提供全方位智能感知功方案的供应商,包括超声波、成像、毫米波雷达、激光雷达和传感器融合;安森美半导体之所以能够技术领先走在行业前端,最重要的一点是其悠久的创新传统和持续投入。他强调,中国市场对安森美半导体非常重要,其在国内有三个制造厂、几百个技术支持和销售团队,汇集了来自各个高校毕业的人才。
 

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