芯耀
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作者｜劉佳藝
10 年前的硅谷曾流傳著這樣一句話：誰掌握了固態(tài)激光雷達(dá)，誰就握住了自動(dòng)駕駛的入場(chǎng)券。彼時(shí)行業(yè)對(duì)于固態(tài)激光雷達(dá)的追捧，正如今天行業(yè)對(duì)于固態(tài)電池的憧憬一般，大家都認(rèn)為，自動(dòng)駕駛的詩與遠(yuǎn)方，需要這一完美傳感器實(shí)現(xiàn)。
固態(tài)激光雷達(dá)的對(duì)立面是傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)，它的原理是通過機(jī)械部件對(duì)環(huán)境進(jìn)行 360 度掃描，進(jìn)而生成高分辨率點(diǎn)云，但機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件容易發(fā)生機(jī)械磨損，往往可靠性差，并且它太大、太重、太貴。
激光雷達(dá)鼻祖 Velodyne 風(fēng)頭正盛時(shí)，產(chǎn)品標(biāo)配在諸多 Robotaxi 測(cè)試車型上，但其推出的 64 線激光雷達(dá)一顆重達(dá) 13 公斤，售價(jià) 8 萬美元，幾乎沒有車企能夠承受得起。由此，興起的車載激光雷達(dá)市場(chǎng)亟需一種「夢(mèng)想傳感器」——全固態(tài)激光雷達(dá)，它被賦予三大完美特性：
- 零機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件：徹底消除磨損、振動(dòng)和壽命限制；
- 極致小型化：可嵌入車身任何位置，不影響設(shè)計(jì)美學(xué)；
- 車規(guī)級(jí)量產(chǎn)成本：從萬元級(jí)降至千元級(jí)，推動(dòng) L2+普及。
這一愿景如同自動(dòng)駕駛行業(yè)的「圣杯」，一些初創(chuàng)企業(yè)也因此一舉崛起。2016 年 CES 上，Quanergy 用固態(tài)激光雷達(dá) S3 驚艷亮相，創(chuàng)始人 Louay Eldada 站在聚光燈下，宣稱這款產(chǎn)品「成本僅為 200 美元」，就此拿下了奔馳 E 級(jí)車的項(xiàng)目定點(diǎn)，公司估值一度飆升至 20 億美元。
兩年后的 CES，速騰聚創(chuàng)也推出了半固態(tài)激光雷達(dá) M1 的早期版本，2019 和 2020 年連續(xù)獲得兩屆 CES 創(chuàng)新大獎(jiǎng)。M1 后續(xù)也搭載在 Lucid 的 Air 車型、小鵬 G9 等車型上。然而，從傳統(tǒng)機(jī)械式向固態(tài)化激光雷達(dá)轉(zhuǎn)型注定是一個(gè)從 0 到 1 的艱難過程。
在這個(gè)技術(shù)革命的陣痛期中，Quanergy 與速騰聚創(chuàng)恰好對(duì)應(yīng)了兩種命運(yùn)，前者因技術(shù)硬傷跌至破產(chǎn)，后者用自研實(shí)力與量產(chǎn)工程能力坐穩(wěn)行業(yè)頭部位置。你能看到，在固態(tài)激光雷達(dá)的漫長(zhǎng)征途中，這樣的故事還有很多。有人順利突圍，就會(huì)有人黯然退場(chǎng)。
01全固態(tài)激光雷達(dá)，沒那么簡(jiǎn)單
在激光雷達(dá)玩家們爭(zhēng)相攀登固態(tài)激光雷達(dá)高地時(shí)，技術(shù)路線也呈現(xiàn)出「百家爭(zhēng)鳴」態(tài)勢(shì)，包括 MEMS、OPA、Flash、轉(zhuǎn)鏡等。如果將掃描機(jī)制看作分水嶺，可以將它們分為兩大派別：
一派是物理掃描，即通過物理手段改變激光雷達(dá)的掃描方式。比如 MEMS、轉(zhuǎn)鏡，都是依賴鏡子的振動(dòng)而改變光束方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一定范圍內(nèi)環(huán)境的掃描。只不過兩者驅(qū)動(dòng)方式不同，MEMS 依賴芯片化控制，而轉(zhuǎn)鏡直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。從這點(diǎn)上看，MEMS 與轉(zhuǎn)鏡其實(shí)屬于半固態(tài)激光雷達(dá)，嚴(yán)格而言屬于非固態(tài)激光雷達(dá)。
而 OPA 同樣處于物理掃描范疇，但它的技術(shù)原理是基于光學(xué)相控陣技術(shù)，在單一芯片上由多個(gè)激光發(fā)射單元組成發(fā)射陣列，調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中各個(gè)單元的相位差，改變激光光束的發(fā)射角度。這就好比舞臺(tái)上的燈光控制機(jī)制，通過燈光配合來掃描物體。只不過 OPA 的掃描器件不像 MEMS、轉(zhuǎn)鏡一般會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)軌跡，它整個(gè)激光的發(fā)射與接收過程完全通過芯片完成。
而另一派則是電子掃描。典型代表是 Flash，它不需要依賴物理掃描來改變光的發(fā)射方向，而是直接發(fā)射出一大片覆蓋探測(cè)區(qū)域的激光，以高度靈敏的接收器接收反射光，來完成對(duì)環(huán)境周圍圖像的繪制。這就像相機(jī)拍照一樣，可以一次性照亮整個(gè)場(chǎng)景并獲得圖像信息。
此外還有類 Flash 技術(shù)路線，也叫做二維可尋址，可以看作 Flash 的進(jìn)階版，因?yàn)?Flash 同時(shí)間發(fā)射大量激光會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_信息嚴(yán)重，而類 Flash 解決了這一問題，它的測(cè)光區(qū)域會(huì)更精確，每個(gè) VCSEL 單元（垂直腔面發(fā)射激光器）都可以被單獨(dú)控制，可以逐行或逐區(qū)域激活激光發(fā)射，對(duì)應(yīng)的接收端也逐區(qū)接收。
類 Flash 的技術(shù)原理與 CMOS 卷簾快門的邏輯類似，即拍攝時(shí)圖像傳感器像素也會(huì)逐行或逐列曝光，進(jìn)而完成圖像采集?？偨Y(jié)來看，全固態(tài)激光雷達(dá)的嚴(yán)苛定義其實(shí)就一句話，內(nèi)部沒有任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。因此只有?OPA、Flash、類 Flash?屬于這一陣列。但值得一提的是，這三條技術(shù)路線并非都能達(dá)成全固態(tài)激光雷達(dá)車規(guī)級(jí)量產(chǎn)的要求。
當(dāng)前行業(yè)對(duì)于優(yōu)質(zhì)固態(tài)激光雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)，除了無運(yùn)動(dòng)部件、體積小等基本鐵律，還需要其跨過兩大優(yōu)等線。
一是視場(chǎng)角、探測(cè)距離、分辨率匹配智能駕駛場(chǎng)景；一般而言，主雷達(dá)需要實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)測(cè)距，而補(bǔ)盲雷達(dá)需要具備超廣視場(chǎng)角，并且兩者在感知層面都要生成高質(zhì)量點(diǎn)云，保證高分辨率。在這點(diǎn)上，F(xiàn)lash 技術(shù)路線由于一次需要發(fā)射大面積光陣，在體積限制下無法保證功率密度，因此視場(chǎng)角、探測(cè)距離、分辨率往往無法兼顧，尤其是如果選擇遠(yuǎn)測(cè)距，視場(chǎng)角會(huì)非常小。因此，基于 Flash 技術(shù)路線打造的大視場(chǎng)角短距激光雷達(dá)，在車上主要用于補(bǔ)盲。
二是具備量產(chǎn)可行性。激光雷達(dá)常見陽光干擾、旁瓣干擾、高反膨脹等工程問題，如果這些問題處理不好，激光雷達(dá)點(diǎn)云質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，產(chǎn)品就無法在終端應(yīng)用和量產(chǎn)落地。而 OPA 路線，由于光學(xué)相控陣技術(shù)的技術(shù)原理，會(huì)對(duì)旁瓣干擾問題更加困擾，如果為了目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確性將旁瓣擋住，這又會(huì)導(dǎo)致視場(chǎng)角進(jìn)一步縮小。實(shí)際上，OPA 路線的視場(chǎng)角本就有限，并且一整個(gè)接受面也會(huì)帶來信噪比差，解析難等問題。因此對(duì)比來看，類 Flash 技術(shù)路線由于具備高靈活性與精確控制能力，抗干擾能力強(qiáng)，在量產(chǎn)穩(wěn)定性上會(huì)更勝一籌。
02從「夢(mèng)想」到落地：突圍者與退場(chǎng)者
全固態(tài)激光雷達(dá)的技術(shù)分野，使得激光雷達(dá)玩家們走向不同結(jié)局。
- Velodyne：固守機(jī)械旋轉(zhuǎn)式技術(shù)，錯(cuò)失固態(tài)化轉(zhuǎn)型窗口，最終因成本高、壽命短被市場(chǎng)淘汰；Quanergy：押注 OPA（光學(xué)相控陣）路線，但因芯片工藝不成熟、信噪比低，未能突破車規(guī)級(jí)量產(chǎn)門檻；Ibeo：作為 Flash 路線鼻祖，其面陣式方案受限于探測(cè)距離短和光子利用率低，無法滿足高階自動(dòng)駕駛需求，最終因量產(chǎn)成本失控破產(chǎn)。
實(shí)際上，先驅(qū)者的失敗，暴露了技術(shù)路線選擇與產(chǎn)業(yè)化節(jié)奏的致命矛盾。全固態(tài)激光雷達(dá)需同時(shí)解決大面陣集成（高分辨率）與大視場(chǎng)角覆蓋（擴(kuò)大感知范圍）兩大難題，而傳統(tǒng)機(jī)械式、Flash、OPA 方案都存在一定的底層技術(shù)瓶頸，使其在量產(chǎn)落地上未能與自動(dòng)駕駛發(fā)展保持同頻步調(diào)。由此，在全固態(tài)激光雷達(dá)的發(fā)展史上，突圍者的經(jīng)驗(yàn)會(huì)更加可貴。比如速騰聚創(chuàng)從類 Flash 路線切入，即攻克二維可尋址技術(shù)，在 2022 年順勢(shì)推出了全固態(tài)補(bǔ)盲激光雷達(dá) E1，成為全球首款量產(chǎn)車規(guī)級(jí)產(chǎn)品。
這背后關(guān)鍵一點(diǎn)，在于速騰聚創(chuàng)自研并落地了 SPAD-SOC 大面陣芯片。作為全固態(tài)激光雷達(dá)的核心硬件，SPAD-SOC 大面陣芯片是關(guān)鍵技術(shù)制高點(diǎn)。彼時(shí)為促成激光雷達(dá)快速量產(chǎn)落地，多數(shù)玩家會(huì)選擇過渡形態(tài)的 SiPM 硬件方案。SiPM 通過模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再給處理器生成點(diǎn)云，而 SPAD 則是直接產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)生成點(diǎn)云，兩者的本質(zhì)區(qū)別在于是否存在「模數(shù)轉(zhuǎn)換」過程。
打一個(gè)形象比方，SiPM 依靠模擬電路傳輸，就像用手機(jī)對(duì)著屏幕翻拍得到的圖像，而 SPAD 通過數(shù)字信號(hào)傳輸，就是用手機(jī)直接發(fā)送相冊(cè)原圖。所以 SPAD 方案得到的成像質(zhì)量往往會(huì)更高，且集成度高，架構(gòu)精簡(jiǎn)，產(chǎn)品體積更小。這也意味著，要啃下全固態(tài)激光雷達(dá)的硬骨頭，SPAD-SOC 大面陣芯片是繞不過去的坎。這里需要提下索尼的 IMX459。
在蘋果供應(yīng)鏈需求驅(qū)使下，索尼憑借 CMOS 的工藝優(yōu)勢(shì)與供應(yīng)鏈穩(wěn)定性，在 2021 年發(fā)布了這顆 SPAD-SOC 大面陣芯片，2023 年完成量產(chǎn)，車規(guī)級(jí)適配由華為率先完成。自研 SPAD-SOC 大面陣芯片固然不是件易事，盡管不少國(guó)內(nèi)廠商有有過自研嘗試，但實(shí)測(cè)性能與良率還夠不上量產(chǎn)落地標(biāo)準(zhǔn)。
除了索尼這類國(guó)際供應(yīng)商，目前能自研并量產(chǎn)落地的國(guó)內(nèi)供應(yīng)商除了靈明，還有速騰聚創(chuàng)。當(dāng)時(shí)由于行業(yè)尚不能提供合適的芯片選擇，速騰聚創(chuàng)只能遵循「第一性原理」，走上了芯片級(jí)創(chuàng)新這條路。速騰聚創(chuàng)自研的 SPAD-SoC 芯片于 2018 年立項(xiàng)，2022 年面世，應(yīng)用于 E1/E1R 全固態(tài)激光雷達(dá)上，目前已經(jīng)量產(chǎn)搭載在了多款汽車及機(jī)器人產(chǎn)品上。
值得一提的是，速騰聚創(chuàng) SPAD-SoC 與索尼 IMX459 芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還存在諸多差異化：比如速騰聚創(chuàng) SPAD-SoC 采用方形面陣（120°×90°視場(chǎng)角，576×432 像素），相比索尼 IMX459 的條形線陣（189×600 像素），無需搭配轉(zhuǎn)鏡或振鏡，即可覆蓋更大范圍，顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度。
以及在全鏈路集成上，速騰聚創(chuàng)自研芯片由于信號(hào)處理、時(shí)序控制等功能內(nèi)置，可以直接輸出高質(zhì)量點(diǎn)云，而 IMX459 還需外接 MCU 類處理器，容易增加延遲與成本，并且 IMX459 需要配合轉(zhuǎn)鏡或振鏡使用，某種程度上其實(shí)無法直接用該芯片做固態(tài)激光雷達(dá)。毫無疑問的是，作為頭部激光雷達(dá)大廠，速騰聚創(chuàng)在 SPAD-SoC 大面陣芯片上的突破，意味著其能夠憑借核心器件自主可控，通過個(gè)性化適配探索全固態(tài)激光雷達(dá)的更多可能性。
03全固態(tài)技術(shù)定義激光雷達(dá)「更優(yōu)解」
在數(shù)字化、芯片化、集成化技術(shù)的有效突破下，全固態(tài)激光雷達(dá)的技術(shù)路線已經(jīng)逐步收斂為「VCSEL+SPAD-SoC」路徑。所謂 VCSEL，其實(shí)就是垂直腔面發(fā)射激光器，是二維尋址技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重要硬件載體。
伴隨著自動(dòng)駕駛向高緯度進(jìn)階，以及機(jī)器人市場(chǎng)的持續(xù)爆發(fā)，基于「VCSEL+SPAD-SoC」技術(shù)路線打造的全固態(tài)激光雷達(dá)正從實(shí)驗(yàn)室走向量產(chǎn)前線，推動(dòng)激光雷達(dá)全品類的產(chǎn)品突破，可以拆解為三大升維路徑：
一是架構(gòu)升維，從小型化向微型化不斷進(jìn)階。車載激光雷達(dá)的小型化，曾是橫亙?cè)谧詣?dòng)駕駛商業(yè)化面前的一道「物理墻」。而車企對(duì)于美觀性、空氣動(dòng)力學(xué)、維修便利性的嚴(yán)苛要求，都在倒逼激光雷達(dá)廠商生產(chǎn)出更小、更輕的微型化傳感器。因此，通過去機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、芯片化集成等技術(shù)，全固態(tài)激光雷達(dá)重構(gòu)了微型化激光雷達(dá)的技術(shù)路徑。比如華為最新量產(chǎn)的高精度固態(tài)激光雷達(dá)，體積約 50mm×50mm×80mm，在 2025 款問界 M9 上，2 顆高精度固態(tài)激光雷達(dá)放置在前翼子板兩側(cè)，一顆安裝在車尾門頂部位置。同理，速騰聚創(chuàng) E1 采用超薄機(jī)身設(shè)計(jì)，體積為 69.5mm×95mm×43mm，同樣便于車企集成設(shè)計(jì)，在滴滴 Robotaxi 車型上，6 顆 E1 被藏于在車頭、左右前翼子板以及車尾兩側(cè)；在小馬智行 Robotaxi 上，4 顆 E1 同樣隱蔽分布在車身兩側(cè)?？梢?，全固態(tài)激光雷達(dá)的落地，可以讓激光雷達(dá)傳感器像攝像頭一樣簡(jiǎn)潔布局，打破更多「物理墻」的空間桎梏。
二是場(chǎng)景升維，激活更多應(yīng)用場(chǎng)景。在車載激光雷達(dá)領(lǐng)域，全固態(tài)激光雷達(dá)的效用正逐步顯現(xiàn)。作為補(bǔ)盲雷達(dá)，它能提升智能汽車的全場(chǎng)景感知能力，比如三顆速騰聚創(chuàng) E1 就可以實(shí)現(xiàn) 360 度視場(chǎng)無縫拼接，垂直 FOV 設(shè)計(jì)為 90°，感知范圍可以兼顧地面盲區(qū)與側(cè)向視野。而在機(jī)器人領(lǐng)域，速騰聚創(chuàng) E1R 已經(jīng)廣泛布局。與 E1 一樣，全固態(tài)激光雷達(dá) E1R 具備 30m@10% 的測(cè)距能力，最遠(yuǎn)測(cè)距達(dá) 75m，144 線高清點(diǎn)云，點(diǎn)頻高達(dá) 26 萬點(diǎn) / 秒等特性，能滿足機(jī)器人從近距離精細(xì)感知到寬范圍環(huán)境的探測(cè)需求，目前已在自主配送機(jī)器人、清潔機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、人形機(jī)器人等各類機(jī)器人上應(yīng)用。
三是性能升維，從「產(chǎn)品夠用」到「定義更優(yōu)解」。一方面通過多融合方案突破激光雷達(dá)的性能邊界。比如速騰聚創(chuàng)推出的機(jī)器人視覺全新品類 Active Camera 的首款產(chǎn)品——AC1，它被稱為「真正的機(jī)器人之眼」，擁有 120°×60° 的超大融合視場(chǎng)角，最遠(yuǎn)測(cè)距可達(dá) 70 米，是傳統(tǒng) 3D 相機(jī)的 600 %，并且能抵抗強(qiáng)光干擾，能有效抑制高反材質(zhì)導(dǎo)致的串?dāng)_、過曝、漏檢等現(xiàn)象。
而 AC1 的產(chǎn)品性能建立在 SPAD-SoC 芯片、CMOS 與 IMU（慣性測(cè)量單元）硬件級(jí)融合基礎(chǔ)之上?；诙鄠鞲衅鲾?shù)據(jù)融合，它可以實(shí)現(xiàn)深度信息、視覺語義與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的結(jié)合，提供更豐富、全面的環(huán)境信息，彌補(bǔ)單一傳感器不足。
實(shí)際上，由于 SPAD-SoC 與 CMOS 均為平面芯片，二者均能輸出數(shù)字信號(hào)，因此在硬件層面易于實(shí)現(xiàn)空間標(biāo)定與時(shí)間對(duì)齊，且融合質(zhì)量較高。某種程度上這也意味著，只有打破了 SPAD-SoC 和固態(tài)激光雷達(dá)的技術(shù)高墻，才能讓激光雷達(dá)融合產(chǎn)品成功落地。
在應(yīng)用場(chǎng)景上，機(jī)器人領(lǐng)域由于傳感器部署空間少，往往需要高集成度傳感器，因此像 AC1 這種硬件級(jí)融合傳感器可以做到完美適配。而在 L3、L4 級(jí)智能駕駛領(lǐng)域，傳感器融合方案同樣具備極高應(yīng)用價(jià)值。像華為側(cè)向激光雷達(dá)視覺融合方案中，同樣整合了側(cè)向激光雷達(dá)與視覺攝像頭兩類關(guān)鍵傳感器，提升輔助駕駛時(shí)側(cè)向感知精度與范圍，目前該方案已應(yīng)用在尊界 S800 等車型上。
另一方面，在智能駕駛安全性層面加碼。目前全固態(tài)激光雷達(dá)作為補(bǔ)盲雷達(dá)，正逐步成為 L3、L4 級(jí)智能駕駛架構(gòu)的必選項(xiàng)。補(bǔ)盲雷達(dá)可以精確感知懸空、負(fù)向和異形障礙物，包括水管、消防箱、下沉臺(tái)階、溝渠、桿子和石頭等。因此，無論是尊界 S800 搭載 3 顆高精度固態(tài)激光雷達(dá)，還是滴滴 Robotaxi 搭載 6 顆速騰聚創(chuàng) E1 補(bǔ)盲雷達(dá)，其實(shí)都是通過這一傳感器，保證安全冗余性以及駕乘舒適性。
總之，在整個(gè)行業(yè)從 L2 向 L3 進(jìn)階的大浪潮下，全固態(tài)激光雷達(dá)成為自動(dòng)駕駛感知能力提升的重要錨點(diǎn)。而在這場(chǎng)「芯片能力與數(shù)字化生態(tài)」的較量中，速騰聚創(chuàng)顯然已經(jīng)處于領(lǐng)先位置。
