做好ADAS是當務之急

毋庸置疑,自動駕駛汽車的開發將繼續,但ADAS的部署將成為2021年的重點。

汽車導入ADAS功能后,確實減少了事故,挽救了生命。今天,ADAS的路還遠沒走完。ADAS采用毫米波雷達、激光雷達、單/雙目攝像頭等傳感器對數據進行決策控制,算法的局限決定其用戶體驗與人類駕駛仍存在一定差距,很多ADAS功能只能在特定場景下使用。

就說車道保持和自適應巡航功能吧,由于系統對車輛在車道中位置和前車距離的刻意控制,導致車輛對方向和速度的控制非常生硬。另外,ADAS無法保證感知所有場景,也不保證100%準確預警,更不保證對任何危險情況主動采取措施,且不承擔任何事故責任。所以,在目前情況下,使用ADAS切不可掉以輕心,駕駛者始終要對自己的駕駛行為負責。

再說用戶體驗,大多數車上的ADAS并沒有達到消費者愛用的程度。對用戶來說,ADAS也過于難懂,專業詞匯多得讓人一頭霧水。因此,當務之急是半導體廠商、Tier 1和主機廠要認真為用戶科普一下ADAS細分功能,特別是讓他們能夠理解和體驗,否則ADAS的推廣和普及就很難實現。因為一直標榜客戶至上的主機廠也明白,應該提供客戶想要并愿意為其付費的功能。

人工智能正在賦能ADAS,包括自我診斷和自我修復車輛,這將大大減少故障次數。在學習駕駛模式下,新駕駛者被攝像頭、雷達和激光雷達包圍,可有效避免發生事故。這些系統將保證司機和乘客安全、知情、娛樂和出行效率。語音和手勢用戶界面將直觀理解命令;增強現實有助于導航,提供興趣點或安全問題警報,利用虛擬現實(VR)投影發現支柱(pillar)盲點背后的東西。由于所有這些AI技術都還處于起步階段,硬件系統將需要隨著系統的改進而調整,并通過OTA更新最大限度地延長系統的壽命。

現在ADAS技術已經進入很多車型,盡管有些不叫ADAS。下一步是如何通過傳感器融合使其功能。現在的攝像頭越來越好,3D攝像頭正在部署,它距離激光雷達只有半步之遙,而成本大概只是后者的1/100。當然,過去幾年,激光雷達的成本也在大幅下降,初創企業正在這一領域扮演主要角色。

ADAS及其半導體工藝

先看前向安全攝像頭,根據所需功能,攝像頭有多種不同類型,以鏡頭數量分為單目、雙目和三目;以距離遠近分為長、中、近程攝像頭。三目或多目攝像頭是一種立體視覺,它基于從相鄰不同視角獲取同一環境的多幅獨立圖像來估計距離,即視覺信息的三角測量。然后使用算法處理器對現實環境進行密集的3D數字表示。

在近程激光雷達中,如大陸的多功能攝像頭MFL4x0,將紅外近程激光雷達(光探測和測距)傳感器和CMOS攝像頭集成在一個緊湊的單元中,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車輛前方的物體進行分類,并檢測即將發生的碰撞;同時具有駕駛員輔助功能(如車道偏離警告、交通標志識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。

攝像頭對于目標檢測是必不可少的。它利用人工智能探測路邊的行人或垃圾桶等物體,為車輛提供必要的信息。此外,攝像頭最大的優點是可以精確地測量角度。這使車輛能夠盡早識別接近的車輛是否會轉向。如果城市交通需要大視角來記錄行人和交通情況,那么在高速公路上需要300米的長距離和窄視角。

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

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

單目攝像頭拆解

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

經過多年的發展,特斯拉ADAS控制板(即全自動駕駛(FSD)計算機)HW3．0使用了特斯拉自研設計、三星14nm制造的2個SoC。這塊板上有很多半導體器件。據IHS的一份報告顯示,HW2．5的半導體含量約為520美元。

據報道,HW4．0芯片由特斯拉和博通共同開發,將采用臺積電7nm工藝制造。預計該芯片2021年第四季度開始量產,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,這將實現更低的功耗,其性能預計將是HW3．0的3倍。

特斯拉HW的變遷

攝像頭系統的另一個關鍵部件是CMOS圖像傳感器。大多數汽車攝像頭模塊都使用安森美半導體的圖像傳感器。2014年,安森美半導體收購了在汽車行業占據強勢地位的Aptina,在汽車CIS領域獨樹一幟。

大陸攝像頭模組,均采用安森美傳感器

另一個有價值的ADAS功能是盲點監測。汽車后保險杠上的雷達模塊可以實現此功能。盲點監測又稱并線輔助功能,后保險杠上安裝的雷達在車速大于10kM/h時自動開啟,向車輛左右3米,后方8米的范圍持續發送雷達信號,并分析處理探測到的信號,排除固定物體和較遠距離的物體,如果探測區域內有車輛靠近,后視鏡上的黃色燈帶就會閃爍予以提示。

車的前面還有一個遠程雷達模塊,支持自適應巡航控制和自動緊急制動。它可能安裝在汽車的前格柵或前保險杠上,如奔馳的毫米波雷達,寶馬除了雷達之外還有攝像頭,奧迪A7更是搭載了一個毫米波雷達和一個激光雷達。

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

毫米波雷達模塊拆解

總之,ADAS的主要功能僅由車內的兩個系統實現:

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

雷達系統:車內通常有三個雷達模塊。兩個在后保險杠上,一個在前格柵。每個模塊都有收發雷達信號的收發器和處理雷達信號的處理器。雷達收發器采用LDFO封裝,也有的采用倒裝芯片CSP(FCCSP)封裝。

直到幾年前,汽車中的大多數半導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模塊越來越多地使用了先進封裝,如倒裝芯片FCBGA、低密度扇出(LDFO)和倒裝芯片FCCSP。

主要ADAS組件封裝形式

目前,不論是自動駕駛(ADS),還是ADAS,車輛都要在所有條件下執行各種駕駛功能。為了實現這一點,車輛不僅要與內部復雜系統進行通信,還要與外部環境進行更多通信。未來的汽車技術將繼續使用越來越多的攝像頭、雷達和激光雷達。傳感器技術必須更強大,能夠處理更復雜的任務。汽車系統組件應提供更高的性能,以便以更高的速度處理更多的數據,并將延遲和功耗降至最低。因此,更精細的納米工藝就成為了半導體廠商的不斷追求。根據汽車各系統的功能不同,使用的工藝也不一樣。

不同車載功能采用的工藝技術

值得一提的是,盡管芯片制造商已經使出了渾身解數來跟上摩爾定律的步伐,但進展越來越難,采用先進IC封裝技術已成為一種補救辦法,有助于在減小整體封裝尺寸的同時實現芯片的可擴展性、功能密度和異構集成。當然,ADAS等汽車應用也會從中受益。

駛向未來

ADAS的發展讓眾多駕駛員輔助功能得到了廣泛采用,不斷增強了整體駕駛體驗、安全性、舒適性和便利性。如Yole的分析師所說,進入新十年,“ADAS意味著正在幫助攀登2014年SAE定義的自動駕駛階梯,并贏得了“L2”、“L2+”和現在的“L2++”的華麗表演。但就自動駕駛而言,現實也許還不是一回事。”雖然如此,整個行業也在這一過程中為全自動車輛(AV)實現最高水平的自動化積累著更多的經驗。