做好ADAS是當(dāng)務(wù)之急

毋庸置疑,自動(dòng)駕駛汽車的開發(fā)將繼續(xù),但ADAS的部署將成為2021年的重點(diǎn)。

汽車導(dǎo)入ADAS功能后,確實(shí)減少了事故,挽救了生命。今天,ADAS的路還遠(yuǎn)沒(méi)走完。ADAS采用毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、單/雙目攝像頭等傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行決策控制,算法的局限決定其用戶體驗(yàn)與人類駕駛?cè)源嬖谝欢ú罹?很多ADAS功能只能在特定場(chǎng)景下使用。

就說(shuō)車道保持和自適應(yīng)巡航功能吧,由于系統(tǒng)對(duì)車輛在車道中位置和前車距離的刻意控制,導(dǎo)致車輛對(duì)方向和速度的控制非常生硬。另外,ADAS無(wú)法保證感知所有場(chǎng)景,也不保證100%準(zhǔn)確預(yù)警,更不保證對(duì)任何危險(xiǎn)情況主動(dòng)采取措施,且不承擔(dān)任何事故責(zé)任。所以,在目前情況下,使用ADAS切不可掉以輕心,駕駛者始終要對(duì)自己的駕駛行為負(fù)責(zé)。

再說(shuō)用戶體驗(yàn),大多數(shù)車上的ADAS并沒(méi)有達(dá)到消費(fèi)者愛(ài)用的程度。對(duì)用戶來(lái)說(shuō),ADAS也過(guò)于難懂,專業(yè)詞匯多得讓人一頭霧水。因此,當(dāng)務(wù)之急是半導(dǎo)體廠商、Tier 1和主機(jī)廠要認(rèn)真為用戶科普一下ADAS細(xì)分功能,特別是讓他們能夠理解和體驗(yàn),否則ADAS的推廣和普及就很難實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橐恢睒?biāo)榜客戶至上的主機(jī)廠也明白,應(yīng)該提供客戶想要并愿意為其付費(fèi)的功能。

人工智能正在賦能ADAS,包括自我診斷和自我修復(fù)車輛,這將大大減少故障次數(shù)。在學(xué)習(xí)駕駛模式下,新駕駛者被攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)包圍,可有效避免發(fā)生事故。這些系統(tǒng)將保證司機(jī)和乘客安全、知情、娛樂(lè)和出行效率。語(yǔ)音和手勢(shì)用戶界面將直觀理解命令;增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)有助于導(dǎo)航,提供興趣點(diǎn)或安全問(wèn)題警報(bào),利用虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)投影發(fā)現(xiàn)支柱(pillar)盲點(diǎn)背后的東西。由于所有這些AI技術(shù)都還處于起步階段,硬件系統(tǒng)將需要隨著系統(tǒng)的改進(jìn)而調(diào)整,并通過(guò)OTA更新最大限度地延長(zhǎng)系統(tǒng)的壽命。

現(xiàn)在ADAS技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入很多車型,盡管有些不叫ADAS。下一步是如何通過(guò)傳感器融合使其功能�，F(xiàn)在的攝像頭越來(lái)越好,3D攝像頭正在部署,它距離激光雷達(dá)只有半步之遙,而成本大概只是后者的1/100。當(dāng)然,過(guò)去幾年,激光雷達(dá)的成本也在大幅下降,初創(chuàng)企業(yè)正在這一領(lǐng)域扮演主要角色。

ADAS及其半導(dǎo)體工藝

先看前向安全攝像頭,根據(jù)所需功能,攝像頭有多種不同類型,以鏡頭數(shù)量分為單目、雙目和三目;以距離遠(yuǎn)近分為長(zhǎng)、中、近程攝像頭。三目或多目攝像頭是一種立體視覺(jué),它基于從相鄰不同視角獲取同一環(huán)境的多幅獨(dú)立圖像來(lái)估計(jì)距離,即視覺(jué)信息的三角測(cè)量。然后使用算法處理器對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行密集的3D數(shù)字表示。

在近程激光雷達(dá)中,如大陸的多功能攝像頭MFL4x0,將紅外近程激光雷達(dá)(光探測(cè)和測(cè)距)傳感器和CMOS攝像頭集成在一個(gè)緊湊的單元中,即使是小型汽車也可以安裝在鏡座中。其主要功能是以非常高的可靠性對(duì)車輛前方的物體進(jìn)行分類,并檢測(cè)即將發(fā)生的碰撞;同時(shí)具有駕駛員輔助功能(如車道偏離警告、交通標(biāo)志識(shí)別和智能前照燈控制)。

采埃孚ZF TriCam三目攝像頭是集成了“三只眼睛”的模塊,具有不同視角,從車輛前面和旁邊的不同距離傳遞重要信息,確保各種駕駛情況下的不同視角。

攝像頭對(duì)于目標(biāo)檢測(cè)是必不可少的。它利用人工智能探測(cè)路邊的行人或垃圾桶等物體,為車輛提供必要的信息。此外,攝像頭最大的優(yōu)點(diǎn)是可以精確地測(cè)量角度。這使車輛能夠盡早識(shí)別接近的車輛是否會(huì)轉(zhuǎn)向。如果城市交通需要大視角來(lái)記錄行人和交通情況,那么在高速公路上需要300米的長(zhǎng)距離和窄視角。

寶馬X5 ADAS系統(tǒng)所使用的MobileEyeQ4三目攝像頭集成在前擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)的后視鏡模塊內(nèi)部。它能夠產(chǎn)生3D感知,從而提供強(qiáng)大的L2+駕駛輔助功能。EyeQ4圖像處理芯片(目前是28nm FinFET工藝)融合處理三個(gè)攝像頭的圖像信號(hào),并提供各種提升駕駛舒適性的駕駛輔助功能。EyeQ5將會(huì)采用7nm FinFET或10nm工藝。

以ZF S-Cam 3單目安全攝像頭為例,可以看到其內(nèi)部有兩個(gè)主要組件,一個(gè)是搭載MobileEye EyeQ3的處理器板,另一個(gè)是搭載安森美半導(dǎo)體CMOS圖像傳感器(CIS)的板子。

單目攝像頭拆解

另一種架構(gòu)是在車輛周圍使用多個(gè)攝像頭,將攝像頭接入中央接線盒。在特斯拉Model 3中,車的周圍有8個(gè)攝像頭,這些攝像頭的數(shù)據(jù)被送入位于儀表板下的中央ADAS控制模塊。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,特斯拉ADAS控制板(即全自動(dòng)駕駛(FSD)計(jì)算機(jī))HW3．0使用了特斯拉自研設(shè)計(jì)、三星14nm制造的2個(gè)SoC。這塊板上有很多半導(dǎo)體器件。據(jù)IHS的一份報(bào)告顯示,HW2．5的半導(dǎo)體含量約為520美元。

據(jù)報(bào)道,HW4．0芯片由特斯拉和博通共同開發(fā),將采用臺(tái)積電7nm工藝制造。預(yù)計(jì)該芯片2021年第四季度開始量產(chǎn),首批搭載該芯片的車輛最早2022年第一季度開始交付。HW4．0芯片代工換成了臺(tái)積電,主要原因是其7nm工藝能夠在更低的電源電壓(低于500mV)下工作,這將實(shí)現(xiàn)更低的功耗,其性能預(yù)計(jì)將是HW3．0的3倍。

特斯拉HW的變遷

攝像頭系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵部件是CMOS圖像傳感器。大多數(shù)汽車攝像頭模塊都使用安森美半導(dǎo)體的圖像傳感器。2014年,安森美半導(dǎo)體收購(gòu)了在汽車行業(yè)占據(jù)強(qiáng)勢(shì)地位的Aptina,在汽車CIS領(lǐng)域獨(dú)樹一幟。

大陸攝像頭模組,均采用安森美傳感器

另一個(gè)有價(jià)值的ADAS功能是盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)。汽車后保險(xiǎn)杠上的雷達(dá)模塊可以實(shí)現(xiàn)此功能。盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)又稱并線輔助功能,后保險(xiǎn)杠上安裝的雷達(dá)在車速大于10kM/h時(shí)自動(dòng)開啟,向車輛左右3米,后方8米的范圍持續(xù)發(fā)送雷達(dá)信號(hào),并分析處理探測(cè)到的信號(hào),排除固定物體和較遠(yuǎn)距離的物體,如果探測(cè)區(qū)域內(nèi)有車輛靠近,后視鏡上的黃色燈帶就會(huì)閃爍予以提示。

車的前面還有一個(gè)遠(yuǎn)程雷達(dá)模塊,支持自適應(yīng)巡航控制和自動(dòng)緊急制動(dòng)。它可能安裝在汽車的前格柵或前保險(xiǎn)杠上,如奔馳的毫米波雷達(dá),寶馬除了雷達(dá)之外還有攝像頭,奧迪A7更是搭載了一個(gè)毫米波雷達(dá)和一個(gè)激光雷達(dá)。

大陸的長(zhǎng)距離毫米波雷達(dá)模塊也有兩塊板:一塊是處理器板,另一塊是有雷達(dá)芯片組和天線的板子,均搭載NXP的芯片(分別為MCU和收發(fā)器)。

毫米波雷達(dá)模塊拆解

總之,ADAS的主要功能僅由車內(nèi)的兩個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn):

攝像頭系統(tǒng):CMOS圖像傳感器獲取圖像,由處理器處理數(shù)據(jù)。處理器采用倒裝芯片BGA(FCBGA)封裝。

雷達(dá)系統(tǒng):車內(nèi)通常有三個(gè)雷達(dá)模塊。兩個(gè)在后保險(xiǎn)杠上,一個(gè)在前格柵。每個(gè)模塊都有收發(fā)雷達(dá)信號(hào)的收發(fā)器和處理雷達(dá)信號(hào)的處理器。雷達(dá)收發(fā)器采用LDFO封裝,也有的采用倒裝芯片CSP(FCCSP)封裝。

直到幾年前,汽車中的大多數(shù)半導(dǎo)體元件都使用鍵合焊線工藝封裝。雖然鍵合焊線仍然是主流汽車芯片封裝,但ADAS模塊越來(lái)越多地使用了先進(jìn)封裝,如倒裝芯片F(xiàn)CBGA、低密度扇出(LDFO)和倒裝芯片F(xiàn)CCSP。

主要ADAS組件封裝形式

目前,不論是自動(dòng)駕駛(ADS),還是ADAS,車輛都要在所有條件下執(zhí)行各種駕駛功能。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),車輛不僅要與內(nèi)部復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行通信,還要與外部環(huán)境進(jìn)行更多通信。未來(lái)的汽車技術(shù)將繼續(xù)使用越來(lái)越多的攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)。傳感器技術(shù)必須更強(qiáng)大,能夠處理更復(fù)雜的任務(wù)。汽車系統(tǒng)組件應(yīng)提供更高的性能,以便以更高的速度處理更多的數(shù)據(jù),并將延遲和功耗降至最低。因此,更精細(xì)的納米工藝就成為了半導(dǎo)體廠商的不斷追求。根據(jù)汽車各系統(tǒng)的功能不同,使用的工藝也不一樣。

不同車載功能采用的工藝技術(shù)

值得一提的是,盡管芯片制造商已經(jīng)使出了渾身解數(shù)來(lái)跟上摩爾定律的步伐,但進(jìn)展越來(lái)越難,采用先進(jìn)IC封裝技術(shù)已成為一種補(bǔ)救辦法,有助于在減小整體封裝尺寸的同時(shí)實(shí)現(xiàn)芯片的可擴(kuò)展性、功能密度和異構(gòu)集成。當(dāng)然,ADAS等汽車應(yīng)用也會(huì)從中受益。

駛向未來(lái)

ADAS的發(fā)展讓眾多駕駛員輔助功能得到了廣泛采用,不斷增強(qiáng)了整體駕駛體驗(yàn)、安全性、舒適性和便利性。如Yole的分析師所說(shuō),進(jìn)入新十年,“ADAS意味著正在幫助攀登2014年SAE定義的自動(dòng)駕駛階梯,并贏得了“L2”、“L2+”和現(xiàn)在的“L2++”的華麗表演。但就自動(dòng)駕駛而言,現(xiàn)實(shí)也許還不是一回事。”雖然如此,整個(gè)行業(yè)也在這一過(guò)程中為全自動(dòng)車輛(AV)實(shí)現(xiàn)最高水平的自動(dòng)化積累著更多的經(jīng)驗(yàn)。