ADAS模塊及其半導(dǎo)體工藝技術(shù)發(fā)展解讀

如Yole的分析師所說，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)。

為了提高汽車的安全性，高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）已經(jīng)發(fā)展了十多年。將一組傳感器（主要是雷達(dá)和攝像頭）與強(qiáng)大的電子控制單元相結(jié)合，這項(xiàng)技術(shù)在過去十年中取得了很大突破。

美國《消費(fèi)者報(bào)告》的研究表明，有57%的受訪者表示，其汽車中至少有一項(xiàng)ADAS功能，這使他們沒有發(fā)生車禍。漫漫車流當(dāng)中，駕駛者少不了會(huì)低頭看手機(jī)，抬頭一看卻發(fā)現(xiàn)前車踩了剎車。有了采用雷達(dá)和攝像頭等關(guān)鍵傳感器和部件的ADAS，就可以避免這種情況發(fā)生，保證汽車的安全功能。

學(xué)術(shù)研究也證明，自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）能夠?qū)⒆肺彩鹿蕼p少40%，并能將相關(guān)死亡人數(shù)減少15%。高科技為“零愿景”（無事故駕駛）理念在全球傳播做出了貢獻(xiàn)。

ADAS功能漸成車輛標(biāo)配

現(xiàn)在，ADAS功能在許多汽車上都已成為標(biāo)配。美國國家安全委員會(huì)、J.D Power、AAA和消費(fèi)者報(bào)告共同為這些ADAS功能命名。ADAS術(shù)語很多，以美國2020款豐田不同車型ADAS功能為例，就有：FCW（前方碰撞預(yù)警）、CABE（城市自動(dòng)緊急制動(dòng)）/HABE（高速公路自動(dòng)緊急制動(dòng)）、PED.AEB（行人自動(dòng)緊急制動(dòng)）、LDW（車道偏離警告）、LKA（車道保持輔助）、BSW（盲點(diǎn)警告）、RCTW（后方交叉路口警告）等。

2020款豐田ADAS功能

其中一些功能是監(jiān)管機(jī)構(gòu)強(qiáng)制要求的，而另一些功能則有助于汽車制造商提高汽車安全等級(jí)；不同地區(qū)監(jiān)管機(jī)構(gòu)對ADAS功能的強(qiáng)制要求也不一樣。

不同地區(qū)監(jiān)管機(jī)構(gòu)的強(qiáng)制ADAS要求

ADAS對半導(dǎo)體要求越來越高

圍繞著跨越2025-2026的車型，領(lǐng)先主機(jī)廠正在采用下一代架構(gòu)。這意味著要明確這些車型的長相、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、智能及其與未來發(fā)展方向的交匯點(diǎn)。

西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司負(fù)責(zé)自動(dòng)駕駛和ADAS高級(jí)主管David Fritz說：“主機(jī)廠已經(jīng)頓悟，把精力花在對整個(gè)系統(tǒng)建模上會(huì)更有意義，這樣就可以知道，當(dāng)把所有部分放在一起時(shí)，將真正解決這個(gè)大而復(fù)雜的問題。它將汽車行業(yè)推向了用半導(dǎo)體制造智能手機(jī)、數(shù)字電視一樣的領(lǐng)域，即先了解應(yīng)用，然后去構(gòu)建——而不是先構(gòu)建，并相信它們都會(huì)組合在一起。”

汽車的功能越來越多，支持系統(tǒng)的芯片本身也變得越來越復(fù)雜。例如ADAS已不再是單獨(dú)的域控制器，許多之前分開的功能已被集成在一起。Synopsys汽車IP部門經(jīng)理Ron Digiusepe說：“當(dāng)行業(yè)繼續(xù)從分布式架構(gòu)整合到多SoC復(fù)雜功能時(shí)，控制器必須在一個(gè)集中的模塊上執(zhí)行多個(gè)ADAS功能，所以需要多核處理器。它還必須支持AEB或LKA等ADAS視覺應(yīng)用。AEB將利用激光雷達(dá)和雷達(dá)等多種類型傳感器和多種算法，如人工智能（AI）、基于視覺的算法。這就需要更復(fù)雜的處理，因此，這些ADAS域控制器中會(huì)用到16nm或14nm finFET工藝芯片，而且還在向7nm甚至5nm finFET工藝推進(jìn)，以放入針對多個(gè)應(yīng)用的多處理器核，比如8到12個(gè)Arm 64位高端核，還有AI/視覺加速器、DSP加速器?！?

從ADAS到自動(dòng)駕駛汽車的經(jīng)典五域架構(gòu)

Arm最近發(fā)表的一份報(bào)告強(qiáng)調(diào)了向異構(gòu)計(jì)算的遷移。車載ADAS等系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜和相互關(guān)聯(lián)。Arm表示，需求的多樣性既需要一種整體的電子設(shè)計(jì)方法，也需要更加異構(gòu)的計(jì)算架構(gòu)。

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功能只能在特定場景下使用。

就說車道保持和自適應(yīng)巡航功能吧，由于系統(tǒng)對車輛在車道中位置和前車距離的刻意控制，導(dǎo)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(zhǔn)確預(yù)警，更不保證對任何危險(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，駕駛者始終要對自己的駕駛行為負(fù)責(zé)。

再說用戶體驗(yàn)，大多數(shù)車上的ADAS并沒有達(dá)到消費(fèi)者愛用的程度。對用戶來說，ADAS也過于難懂，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、娛樂和出行效率。語音和手勢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OTA更新最大限度地延長系統(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。下一步是如何通過傳感器融合使其功能?，F(xiàn)在的攝像頭越來越好，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、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(huán)境的多幅獨(dú)立圖像來估計(jì)距離，即視覺信息的三角測量。然后使用算法處理器對現(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)（光探測和測距）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車輛前方的物體進(jìn)行分類，并檢測即將發(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）。

帶激光雷達(dá)的多功能攝像頭

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(biāo)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(yōu)點(diǎn)是可以精確地測量角度。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。

“三只眼”攝像頭模塊

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。

寶馬X5已搭載3目攝像頭

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。

Model 3的攝像頭和ADAS控制板位置

經(jīng)過多年的發(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)體收購了在汽車行業(yè)占據(jù)強(qiáng)勢地位的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。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)，并分析處理探測到的信號(hào)，排除固定物體和較遠(yuǎn)距離的物體，如果探測區(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。

盲點(diǎn)監(jiān)測雷達(dá)

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)。

奔馳和寶馬的前向安全監(jiān)測

大陸的長距離毫米波雷達(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。未來的汽車技術(shù)將繼續(xù)使用越來越多的攝像頭、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)來跟上摩爾定律的步伐，但進(jìn)展越來越難，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。