做好ADAS是当务之急
毋庸置疑,自动驾驶汽车的开发将继续,但ADAS的部署将成为2021年的重点。
汽车导入ADAS功能后,确实减少了事故,挽救了生命。今天,ADAS的路还远没走完。ADAS采用毫米波雷达、激光雷达、单/双目摄像头等传感器对数据进行决策控制,算法的局限决定其用户体验与人类驾驶仍存在一定差距,很多ADAS功能只能在特定场景下使用。
就说车道保持和自适应巡航功能吧,由于系统对车辆在车道中位置和前车距离的刻意控制,导致车辆对方向和速度的控制非常生硬。另外,ADAS无法保证感知所有场景,也不保证100%准确预警,更不保证对任何危险情况主动采取措施,且不承担任何事故责任。所以,在目前情况下,使用ADAS切不可掉以轻心,驾驶者始终要对自己的驾驶行为负责。
再说用户体验,大多数车上的ADAS并没有达到消费者爱用的程度。对用户来说,ADAS也过于难懂,专业词汇多得让人一头雾水。因此,当务之急是半导体厂商、Tier 1和主机厂要认真为用户科普一下ADAS细分功能,特别是让他们能够理解和体验,否则ADAS的推广和普及就很难实现。因为一直标榜客户至上的主机厂也明白,应该提供客户想要并愿意为其付费的功能。
人工智能正在赋能ADAS,包括自我诊断和自我修复车辆,这将大大减少故障次数。在学习驾驶模式下,新驾驶者被摄像头、雷达和激光雷达包围,可有效避免发生事故。这些系统将保证司机和乘客安全、知情、娱乐和出行效率。语音和手势用户界面将直观理解命令;增强现实有助于导航,提供兴趣点或安全问题警报,利用虚拟现实(VR)投影发现支柱(pillar)盲点背后的东西。由于所有这些AI技术都还处于起步阶段,硬件系统将需要随着系统的改进而调整,并通过OTA更新最大限度地延长系统的寿命。
现在ADAS技术已经进入很多车型,尽管有些不叫ADAS。下一步是如何通过传感器融合使其功能。现在的摄像头越来越好,3D摄像头正在部署,它距离激光雷达只有半步之遥,而成本大概只是后者的1/100。当然,过去几年,激光雷达的成本也在大幅下降,初创企业正在这一领域扮演主要角色。
ADAS及其半导体工艺
先看前向安全摄像头,根据所需功能,摄像头有多种不同类型,以镜头数量分为单目、双目和三目;以距离远近分为长、中、近程摄像头。三目或多目摄像头是一种立体视觉,它基于从相邻不同视角获取同一环境的多幅独立图像来估计距离,即视觉信息的三角测量。然后使用算法处理器对现实环境进行密集的3D数字表示。
在近程激光雷达中,如大陆的多功能摄像头MFL4x0,将红外近程激光雷达(光探测和测距)传感器和CMOS摄像头集成在一个紧凑的单元中,即使是小型汽车也可以安装在镜座中。其主要功能是以非常高的可靠性对车辆前方的物体进行分类,并检测即将发生的碰撞;同时具有驾驶员辅助功能(如车道偏离警告、交通标志识别和智能前照灯控制)。
采埃孚ZF TriCam三目摄像头是集成了“三只眼睛”的模块,具有不同视角,从车辆前面和旁边的不同距离传递重要信息,确保各种驾驶情况下的不同视角。
摄像头对于目标检测是必不可少的。它利用人工智能探测路边的行人或垃圾桶等物体,为车辆提供必要的信息。此外,摄像头最大的优点是可以精确地测量角度。这使车辆能够尽早识别接近的车辆是否会转向。如果城市交通需要大视角来记录行人和交通情况,那么在高速公路上需要300米的长距离和窄视角。
宝马X5 ADAS系统所使用的MobileEyeQ4三目摄像头集成在前挡风玻璃内侧的后视镜模块内部。它能够产生3D感知,从而提供强大的L2+驾驶辅助功能。EyeQ4图像处理芯片(目前是28nm FinFET工艺)融合处理三个摄像头的图像信号,并提供各种提升驾驶舒适性的驾驶辅助功能。EyeQ5将会采用7nm FinFET或10nm工艺。
以ZF S-Cam 3单目安全摄像头为例,可以看到其内部有两个主要组件,一个是搭载MobileEye EyeQ3的处理器板,另一个是搭载安森美半导体CMOS图像传感器(CIS)的板子。
单目摄像头拆解
另一种架构是在车辆周围使用多个摄像头,将摄像头接入中央接线盒。在特斯拉Model 3中,车的周围有8个摄像头,这些摄像头的数据被送入位于仪表板下的中央ADAS控制模块。
经过多年的发展,特斯拉ADAS控制板(即全自动驾驶(FSD)计算机)HW3．0使用了特斯拉自研设计、三星14nm制造的2个SoC。这块板上有很多半导体器件。据IHS的一份报告显示,HW2．5的半导体含量约为520美元。
据报道,HW4．0芯片由特斯拉和博通共同开发,将采用台积电7nm工艺制造。预计该芯片2021年第四季度开始量产,首批搭载该芯片的车辆最早2022年第一季度开始交付。HW4．0芯片代工换成了台积电,主要原因是其7nm工艺能够在更低的电源电压(低于500mV)下工作,这将实现更低的功耗,其性能预计将是HW3．0的3倍。
特斯拉HW的变迁
摄像头系统的另一个关键部件是CMOS图像传感器。大多数汽车摄像头模块都使用安森美半导体的图像传感器。2014年,安森美半导体收购了在汽车行业占据强势地位的Aptina,在汽车CIS领域独树一帜。
大陆摄像头模组,均采用安森美传感器
另一个有价值的ADAS功能是盲点监测。汽车后保险杠上的雷达模块可以实现此功能。盲点监测又称并线辅助功能,后保险杠上安装的雷达在车速大于10kM/h时自动开启,向车辆左右3米,后方8米的范围持续发送雷达信号,并分析处理探测到的信号,排除固定物体和较远距离的物体,如果探测区域内有车辆靠近,后视镜上的黄色灯带就会闪烁予以提示。
车的前面还有一个远程雷达模块,支持自适应巡航控制和自动紧急制动。它可能安装在汽车的前格栅或前保险杠上,如奔驰的毫米波雷达,宝马除了雷达之外还有摄像头,奥迪A7更是搭载了一个毫米波雷达和一个激光雷达。
大陆的长距离毫米波雷达模块也有两块板:一块是处理器板,另一块是有雷达芯片组和天线的板子,均搭载NXP的芯片(分别为MCU和收发器)。
毫米波雷达模块拆解
总之,ADAS的主要功能仅由车内的两个系统实现:
摄像头系统:CMOS图像传感器获取图像,由处理器处理数据。处理器采用倒装芯片BGA(FCBGA)封装。
雷达系统:车内通常有三个雷达模块。两个在后保险杠上,一个在前格栅。每个模块都有收发雷达信号的收发器和处理雷达信号的处理器。雷达收发器采用LDFO封装,也有的采用倒装芯片CSP(FCCSP)封装。
直到几年前,汽车中的大多数半导体元件都使用键合焊线工艺封装。虽然键合焊线仍然是主流汽车芯片封装,但ADAS模块越来越多地使用了先进封装,如倒装芯片FCBGA、低密度扇出(LDFO)和倒装芯片FCCSP。
主要ADAS组件封装形式
目前,不论是自动驾驶(ADS),还是ADAS,车辆都要在所有条件下执行各种驾驶功能。为了实现这一点,车辆不仅要与内部复杂系统进行通信,还要与外部环境进行更多通信。未来的汽车技术将继续使用越来越多的摄像头、雷达和激光雷达。传感器技术必须更强大,能够处理更复杂的任务。汽车系统组件应提供更高的性能,以便以更高的速度处理更多的数据,并将延迟和功耗降至最低。因此,更精细的纳米工艺就成为了半导体厂商的不断追求。根据汽车各系统的功能不同,使用的工艺也不一样。
不同车载功能采用的工艺技术
值得一提的是,尽管芯片制造商已经使出了浑身解数来跟上摩尔定律的步伐,但进展越来越难,采用先进IC封装技术已成为一种补救办法,有助于在减小整体封装尺寸的同时实现芯片的可扩展性、功能密度和异构集成。当然,ADAS等汽车应用也会从中受益。
驶向未来
ADAS的发展让众多驾驶员辅助功能得到了广泛采用,不断增强了整体驾驶体验、安全性、舒适性和便利性。如Yole的分析师所说,进入新十年,“ADAS意味着正在帮助攀登2014年SAE定义的自动驾驶阶梯,并赢得了“L2”、“L2+”和现在的“L2++”的华丽表演。但就自动驾驶而言,现实也许还不是一回事。”虽然如此,整个行业也在这一过程中为全自动车辆(AV)实现最高水平的自动化积累着更多的经验。
