车载毫米波雷达加速迈向CMOS时代

相较于激光雷达、摄像头等传感器，毫米波雷达由于具备全天候全天时的探测能力，即使在雨雪、尘雾等恶劣环境条件下依旧可以正常工作，再加上通过直接测量距离和速度，更容易实现对目标运动状态的检测，正逐渐在越来越多的新车上搭载。
以77 GHz毫米波雷达为例，据高工智能汽车研究院统计数据显示，今年上半年国内新车累计搭载前向77GHz毫米波雷达201.65万颗，相较于2019年同期增长29.36%。下半年随着搭载ADAS功能的新车陆续上市，预计今年全年前向77GHz毫米波雷达搭载量同比增速将维持30-40%。
尽管如此，相较于整个汽车市场来说，毫米波雷达的装配率仍然处于低位，如何进一步推动这项技术在汽车领域的普及是亟待解决的问题。对此，盖世汽车于日前采访了加特兰微电子CEO陈嘉澍博士。加特兰微电子于2017年率先推出了全球首颗77GHz CMOS工艺毫米波雷达芯片并实现量产，带动了产业链的重大变革。陈嘉澍指出，要想让毫米波雷达成为各级别车型都用得上的技术，还需要在性能、成本等多方面进一步突破，这里面毫米波雷达芯片将起到十分关键的作用。特别是基于CMOS工艺的毫米波雷达芯片，由于可以帮助毫米波雷达同时实现高性能、易开发、小型化、经济性等多重优势，正逐渐成为越来越多整车厂和零部件供应商的选择。
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加特兰微电子CEO 陈嘉澍博士
让毫米波雷达真正普及，小型化和经济性是关键
毫米波雷达在汽车领域的应用早已有之。不过早期毫米波雷达里的核心芯片所采用的工艺主要是GaAs、SiGe等化合物半导体，其中基于GaAs工艺的毫米波雷达芯片前端大都是分立式的，即发射器、接收器和处理组件均为独立单元，这使得雷达的设计过程十分复杂，产品体积也往往较大。
不仅如此，因上述原材料价格昂贵，导致毫米波雷达整体价格也相对较高，特别是77GHz毫米波雷达。所以在过去相当长的一段时间里，毫米波雷达主要是欧美高端车型的专属。
凭借多年研发毫米波集成电路的经验，陈嘉澍认为毫米波雷达在汽车领域的应用前景绝不止于此，特别是在未来的辅助驾驶上将大有可为——只要这个传感器足够小，足够经济。彼时是2014年，用他自己的话形容，就是“那个时候自动和辅助驾驶也并没有现在这么火，无论是整车厂还是一级供应商，在这些方面没有特别明显的战略方向” 。但他还是决定一试，以推动传感器真正普及。
陈嘉澍的想法是，采用完全不同的CMOS工艺取代价格相对较昂贵的化合物半导体工艺，从而降低毫米波雷达的价格。“CMOS工艺在消费电子产品领域已经有了很成熟的应用，例如手机里的WiFi、蓝牙以及电脑中的处理器，都是用CMOS工艺实现的。相较于化合物半导体，这项技术具备更大体量的经济规模，如果毫米波雷达芯片也能够享受这种CMOS工艺所能带来的规模化效益，价格是可以大幅下降的。”陈嘉澍表示。
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不同工艺下的射频前端模块对比，图片来源： 加特兰微电子
为此，加特兰特别推出了AiP(封装集成片上天线)，通过在芯片封装内部集成天线阵列，减少客户天线设计和高频板材投入，并大幅缩短模块研发和生产周期，加速毫米波雷达在汽车和行业市场的普及。
“客户拿到这款产品之后，连天线都不用设计了。因为雷达里面除了电子部分，设计难度和成本比较高、良率控制比较复杂的就数天线了，我们推出了这款产品相当于大大降低了客户的开发难度。” 陈嘉澍表示。“且由于将天线集成在芯片封装上，在易用性和降低雷达模块的体积方面，又有了进一步的提升。”
虽然相较于传统的化合物半导体，CMOS工艺无论是在经济性还是集成度、可扩展性等方面都具有明显的优势，但是要基于这项技术研发真正符合车规级需求的毫米波雷达产品，并不容易。
陈嘉澍指出“汽车领域的企业来做，最大的挑战在于怎么用CMOS工艺实现77GHz这样高频的电路，并且保证噪声在可控范围内。”此前就是因为未能实现技术上的突破，所以在77GHz毫米波雷达的普及方面，行业迟迟未有大的进展。
“尤其是要符合汽车开发的要求，比如芯片的工作温度范围要能够覆盖-40℃~125℃，而且要保证在汽车的整个生命周期内，芯片都能够在这么宽的温度范围内正常工作，整体的可靠性要求是非常高的。”另外，功能安全也是很重要的一方面。功能安全最重要的作用是确保任一随机故障、系统故障或共因失效，都不会导致安全系统的故障，避免造成人员的伤害或死亡、环境的破坏、设备财产损失等。
为更好地满足车企的高安全需求，加特兰一直将产品功能安全管理及认证工作放在首位，以确保产品的可靠性和安全性。今年3月，加特兰已经顺利通过了德国莱茵TÜV的ISO 26262功能安全流程管理认证，可支持到ASIL D等级芯片开发。据悉，加特兰是目前国内半导体行业唯二获得该认证证书的芯片设计公司。陈嘉澍表示后续加特兰将继续加大投入，强化产品的功能安全。
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ISO 26262功能安全管理证书，图片来源： 加特兰微电子
从Transceiver、SoC到AiP的解决方案，多方面助力毫米波雷达量产
第一代产品Yosemite从研发到量产，加特兰花了3年的时间。“算是一个小小的里程碑，我们2017年推出第一代CMOS芯片的时候，也是全球首个汽车级CMOS工艺77GHz毫米波雷达射频前端芯片。” 陈嘉澍说道。
在第一代产品里，加特兰将毫米波射频收发芯片用单颗CMOS芯片实现了，而在此之前，按业界的惯常做法需要用多颗化合物半导体才能达到同样的效果，如此一来体积也小了，毫米波雷达的价格自然就降下来了。该产品于2018年正式开始在奇瑞、上汽等品牌相关车型上搭载，用于盲点监测、变道辅助、前方碰撞预警等。
紧接着，加特兰又于2019年推出了第二代产品Alps。与Yosemite相比，Alps将毫米波雷达里面的模拟、数字和雷达算法等用单芯片实现了，相比第一代集成度更高，且在性能、成本、功耗等方面也到了进一步的改善。特别需要指出的是芯片之间的级联，通过这项技术加特兰可以实现多款芯片之间的同步信号发射和数字处理信号的交互等，从而有效拓展芯片通道数量，优化产品性能，这也是加特兰独创的技术。
固化在芯片内部的雷达基带处理引擎，是加特兰区别于竞争对手的一个很重要的优势。这样客户只需通过寄存器的配置就能快速实现雷达系统的开发。“这样做的好处是，第一、加快产品上市速度；第二、降低客户的资源投入；第三、降低整个系统的开发成本。”
以Alps为例，传统的芯片产品从研发到应用于量产车，大约需要4~5年的时间，但基于加特兰的技术和解决方案，3年左右的时间就“上车”了，极大地缩短了毫米波雷达的量产进程，甚至整车的上市周期也会随之缩短。正因为如此，虽然目前Alps还在小批量生产阶段，采用这款芯片进行毫米波雷达研发的企业却越来越多了。
通过产品的推陈出新和快速迭代，加特兰实际上打破了外资芯片巨头在车载毫米波雷达领域的长期垄断，此前由于缺乏核心技术，国内毫米波雷达包括相关芯片领域，一直由外资零部件巨头牢牢占据着主导地位。陈嘉澍指出，到今年年底加特兰会做完Alps的车规、可靠性、功能安全等方面的认证，最快明年初第二代产品就可以“上车”。
除了传统的汽车雷达应用，毫米波雷达也将更多的被应用在“车外场景”，比如通过Alps AiP实现辅助泊车，环车的超短距探测，其中后者在拥堵等复杂的交通场景中尤为适用，可极大地弥补现有中长距传感器在近距离感知方面的不足，代替超声波传感器等实现相关的驾驶辅助功能。
“还有车内生命体征探测，因为毫米波雷达可以用来监测呼吸心跳，现实生活中常有车主将儿童较长时间‘遗忘’在座舱内，在夏天这是非常危险的，借助毫米波雷达传感器可以很好地避免此类事故的发生。并且因为有了AiP技术，毫米波雷达可以做得特别小，在车内安装也十分方便，还不会涉及任何隐私问题。” 陈嘉澍表示。由此甚至可以拓展另一项技术——DMS的功能，通过将毫米波雷达与摄像头结合，对驾驶员的呼吸心跳等体征信息进行监测，以对潜在危险状态及时预警。可以说，加特兰的AiP技术极大地拓展了毫米波的应用场景。
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基于毫米波雷达的车内生命体征探测，图片来源： 加特兰微电子
迎接自动驾驶商业化，高精度成像也是刚需
毋庸置疑，凭借CMOS工艺加特兰不仅极大地降低了毫米波雷达的开发门槛，使其真正成为了大多数品牌车型都用得起的一项技术，也推动了CMOS工艺在毫米波雷达芯片领域的“走热”，让这项技术逐渐成为行业主流。那么在已有产品相继市场化之后，更长远的未来毫米波雷达还将呈现怎样的发展趋势呢？陈嘉澍指出主要有两个方向：第一、高精度成像；第二、依旧是小型化和经济性。
其中在高精度成像方面，传统的毫米波雷达虽然可以准确探测目标与雷达之间的距离、方位、速度等信息，但由于无法探测高度信息，所以无法成像，不能准确识别目标的形态，这也是毫米波雷达相较于摄像头和激光雷达的短板所在。”但对于L3及以上级别的自动驾驶汽车来说，这类高精度探测需求又十分迫切，如果毫米波雷达也可以实现高精度成像，不仅可以与其他传感器进行互补，甚至能在一定程度上取代昂贵的激光雷达。”
据陈嘉澍透露，目前在该领域加特兰也将推出的第三代芯片产品就将具备相关功能。相较于当前产品，第三代产品的内部存储空间更大，射频、信号处理和CPU的性能会更好。
“至于经济性和小型化方面，虽然现在毫米波雷达已经逐渐在新车上搭载，但整体的渗透率其实还很低，特别是二十万以下的车，至少还有一半没有搭载，而未来5~10年考虑到ADAS在汽车领域仍将是主流，如何进一步提升毫米波雷达的普及率？成本一定是关键因素。” 陈嘉澍指出。“小型化带来的好处则是安装方便，并且可以同时在车上安装多个毫米波雷达。” 
正是基于以上原因，陈嘉澍指出在后续产品的研发方面，加特兰会进一步遵循上述核心技术方向，不断强化产品竞争力，将毫米波雷达芯片做到比竞争对手产品更小、更便宜，同时性能更好、功耗更小。“在可以预见的未来，低造价、小型化、低功耗的毫米波雷达的市场会长期存在。”
为实现这一点，加特兰也在持续不断地扩充团队规模，强化整体研发实力。毫米波雷达作为汽车领域一个相对较前沿的应用，在专业人才的发掘和培养依然是比较大的挑战。“由于我们的知识跨度比较大，研发人员的构成很多样，公司成立最初的几年里，国内各个方向上的专家都很稀缺，我们的团队也是在不断地摸索和学习的过程中逐步成长起来。” 陈嘉澍表示。因为对于创新型企业来说，只有团队越发专业成熟，有好的且持续的交付能力，这才是公司赖以生存的根本。
不过陈嘉澍同时强调，要想真正推动ADAS产业的发展，还需要更多的企业和上下游的伙伴参与其中，让产品更好更快地落地。从最初的十几家到现在两百多家合作伙伴，加特兰的发展也映射出整个行业投入的力度加大，好的芯片设计也将带动产品竞争力的提升和产业的快速发展。正如陈嘉澍所说，良性的竞争环境、车企客户的快速导入、ADAS的普及等因素，最终会相互促进，从而更好地助力汽车产业加速迈向智能化时代。
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