电子产品世界

　　在“2019年慕尼黑上海电子展”期间，加特兰微电子科技（上海）有限公司发布了第二代CMOS毫米波雷达系统单芯片，主要面向汽车、工业和消费领域。为此，《电子产品世界》等媒体访问了加特兰微电子CEO（首席执行官）陈嘉澍先生（左）和运营商务副总裁吕昱昭先生。

    　1 毫米波雷达市场

       据加特兰提供的资料显示，雷达市场增长迅速（如图1），其中汽车应用最大，工业和消费电子目前市场较小，但增长潜力可观。

　　车用毫米波雷达数量之所以增加很快，因为从汽车ADAS（高级驾驶员辅助系统）到自动驾驶的演进过程中，对毫米波雷达的需求量增加（如图2）。具体地，全球量产车是每年1亿辆，一辆L3以上的车需要至少5颗以上的毫米波雷达，由此可以算出汽车的需求量是很可观的。如果再算一下潜在的超短距/超声波的替代，那就再增加1倍的市场。
　　此外，随着毫米波雷达的体积减小、成本降低，在工业和消费类电子中也有巨大潜力。
　　2 CMOS工艺的优势
       如今，77GHz汽车毫米波雷达的CMOS工艺爆发期已到。此前，毫米波雷达经历了砷化镓工艺、SiGe工艺（如图3），从2017年开始流行CMOS工艺。CMOS工艺已被成功地大量运用在手机通信中，诸如Wi-Fi、蓝牙、GPS等，每个细分领域出货量都超过10亿个。
　　CMOS的特点是低造价、集成度高。为此，加特兰也围绕CMOS工艺，2017年发布了第一代77 GHz毫米波雷达射频前端芯片——Yosemite系列，以及用于工业和消费电子的60 GHz毫米波雷达射频前端芯片——系列，涵盖了从短距、中距到长距的一体化解决方案。2019年3月，加特兰又发布了第二代产品——Alps系列。

　　那么，CMOS为何比传统的Bi-CMOS工艺有优势？
　　首先，Bi-CMOS就是SiGe工艺，2007年开始就可以做了。Bi-CMOS工艺因为加入了锗类元素，使晶体管更加活跃，所以它的工作频率可以更高。但是，Bi-CMOS工艺是难以做到大规模集成的，因而无法集成大量的数字处理能力。
　　第二，Bi-CMOS绝大多数的晶圆是8英寸的，而CMOS很多是标准的12英寸晶圆，所以成本上面CMOS更有优势。
　　第三，CMOS工艺已被大量应用在各种领域，诸如个人计算、通信等，这些细分领域的年出货量在几十亿个。而Bi-CMOS工艺的应用局限在一些高频领域，诸如光通信或一些基站的高速回传，那些应用领域的年出货量只有千万级。所以CMOS工艺的经济规模带来的成本效应是远远超过其他半导体工艺的，这也是为什么加特兰想要去用CMOS工艺实现任何看起来不太可能实现的这些应用。加特兰公司CEO陈嘉澍先生指出：“半导体行业有一个规律，任何能用CMOS工艺实现的产品，最终都会用CMOS工艺去实现，并实现大量普及。”

　　3 加特兰的CMOS芯片的设计难点

       既然CMOS有很多显著的优势，例如低成本、高集成度，但是为什么很长时间内并没有用来做77 GHz毫米波雷达？
　　因为在很长一段时间里，由于CMOS的制程所限，使晶体管的速度达不到足够高的工作频率。大约从2010年开始，CMOS进入40 nm之后才具备这种可能性。加特兰也是在具备了这种可能性之后的第一批挖掘其潜力的公司。
　　加特兰在毫米波集成电路的设计方面的积累是非常深厚的，从2004、2005年就开始研究怎样用标准的低成本CMOS工艺去实现高频的集成电路，以及模块和系统层面。可见，虽然加特兰成立于2014年，但是核心团队此前的经验积累已超过10年。
　　那么，加特兰在研发过程中遇到了哪些技术挑战？
　　首先是怎样在标准的数字CMOS工艺上实现毫米波频段的电路，并且是一个完整的系统，包括锁相环、发射机、接收机、混频器等，并且让这些系统能够工作在汽车所要求的温度范围：-40℃到120℃。CMOS工艺是被大量使用的半导体工艺，但是它本身不是为高频电路、高频应用设计的，它的最大能力还是在于数字的集成。因此，需要充分了解CMOS工艺的半导体特性，能够把潜在的工作在高频的特性能力发挥出来，并且做到符合汽车所要的温度范围，同时会用大量的数字电路去保护或去增进模拟电路的一些短板和缺陷，让整套系统工作得比用一个简单的工艺要更好。
　　第二点在于第二代Alps不仅有射频前端，还有整个雷达信号处理引擎，因此怎样实现一个高性能、低功耗的雷达处理基带是一大挑战。加特兰之所以不用标准DSP的原因也是在于采用硬件加速ASIC的方式可以实现更高的性能、更低的功耗。当然这要求设计者对毫米波雷达信号处理有充分的认知，这会涉及大量算法开发的工作，尤其是针对汽车场景的算法。汽车的雷达场景和传统军用的空中雷达还是很不一样的。所以，这部分其实也是一大设计难题，整个业界也是处于早期开发的阶段。所以，加特兰投入了很多的精力——怎么样把整个雷达信号处理引擎集成到单芯片上，并且和射频前端无缝衔接、同步配合工作。
　　4    与激光雷达、摄像头的关系

       目前智能驾驶核心的两个传感器是视觉和毫米波雷达，已经被一定程度上应用在乘用车上面了，也将是未来L2到L3级别智能驾驶的主力传感器。
　　激光雷达现在更多的是应用在无人驾驶测试车上面，其最大瓶颈还是在于成本非常高，一颗激光雷达的成本可能接近于一辆整车的成本，在短期内是比较难实现在乘用车上装配的。所以如果看近5年甚至更长一段时间内智能驾驶的普及，最主要是视觉和毫米波雷达这两种传感器的普及。
　　加特兰聚焦在毫米波雷达这部分，希望通过提供高集成度、低造价和易使用的CMOS芯片，能够让更多的（汽车一级供应商）和更多的OEM（整车厂）尽快导入毫米波雷达传感器，让它们不仅仅用于高端车， 甚至中端车、低端车都能用。
　　那么，毫米波雷达与摄像头的关系是如何的？实际上，各种传感器未来是共存的。每种传感器有它的优点，也有缺点。视觉的优点在于信息量大，可以识别车道线、路牌、标识等。但是就像人眼一样，视觉没法做到精确地测量距离，而且受光线、天气影响都比较大。毫米波雷达是基于电磁波的，所以可以是全天候工作的，不受天气和光线的影响。并且毫米波雷达可以精确地测量距离，例如100米开外到底是100米还是101 米。
　　因此，从长远来看，这些传感器会共存，相互发挥自己的特长，弥补对方的短板，因为车也是需要冗余的。例如车的AEB（自动紧急制动）和ACC（自适应巡航）系统通常依赖两种传感器融合，未来即便一种传感器有足够的能力，也需要另外一种传感器去提供数据的互相检查，提供足够的冗余性。

　　5    与超声波、视觉的关系

       超声波传感器确实已经被大量地使用了，但是短板也是很明显的。第一，其测量距离非常有限，可能只覆盖3到5米。在较长距离，例如监控车流，需要探测几十米；探测液面高度，也许是几十米的高度，这方面超声波是没法满足的。
　　关于手势识别，其实超声波、视觉和雷达都能做手势识别，各自有各自的优点和短板。视觉的短板在于其实很多手势识别是消费电子产品，可能有一些隐私的问题，用户不太希望整个东西暴露在监控之下。超声波可以做近距离的探测，但是超声波的短板在于探头必须是外露的，这一定程度上会影响产品的外观设计，用户会看到两个探头在外边，例如倒车雷达，你可以看到车上有很多地方打了孔，因为探头必须曝露在外面。
　　而电磁波的好处在于可以隐藏在设计里面，不破坏整个外观。如果未来取代超声波倒车，车上根本不用打洞，它可以放在保险杠的后面。而放置超声波雷达，需要每辆车的颜色都适配一种。
　　手势识别也是一样的，如果是手表或手机，用户不希望看到超声波的探头，而毫米波雷达可以隐藏在屏幕或者是外观的后面。
　　还有一点，超声波是不能探测方向的，只能知道这个东西离你多远，需要多个超声波传感器协同测量，因此整体方案的复杂度和体积会增加。
　　那么，毫米波的功耗如何？
　　相比视觉和超声波，毫米波雷达是可以做到功耗最低的。因为超声波要输出声波，探测几米的话需要非常高的电压，所以功耗并不低。
　　由于雷达传感器的应用场景不同，取决了它里面的算法实现和射频的配置不太一样。现在加特兰做的适合车载的Alps芯片是77 GHz的，能探测一二百米的距离，可同时探测上百个目标。在消费电子手势识别的应用里，由于没有这么远的距离探测需求，也不需要探测很多目标，一定程度上是可以简化的，因此功耗不会和汽车雷达是同一个量级。
　　6    未来方向

       加特兰首先还是聚焦在毫米波雷达传感器芯片的研发上，接下来会进一步提高探测的性能，包括进一步针对一些应用进行小型化开发，高性能方面还包括目标数量的增多。再有，会研发新的射频芯片部分的架构和模块，还会进一步开发雷达的算法。
　　7    加特兰及第二代芯片的背景介绍

       加特兰微电子2014年成立于上海，创始团队来自硅谷海归。公司拥有毫米波雷达设计自主知识产权和经过验证的完整车规级芯片开发流程，是全球第一家量产CMOS毫米波雷达收发单芯片的公司，也是亚洲第一家通过车规认证的77 GHz毫米波雷达芯片公司，全球第一家成功导入前装车辆并量产的CMOS- 77 GHz毫米波雷达芯片公司。
　　此次加特兰发布了第二代产品——77 GHz的Alps SoC。这一代与之前的产品有很大的提升和变化。最重要的是除了射频部分的性能提升之外，很大一部分是在数字部分，里面包含了雷达的处理引擎，即有CPU，这样把数字部分做得更加完善了，优势是可以 缩短客户的开发时间，简化开发过程；再有，随着集成度的提高，也会让整个芯片包括系统的成本再次下降。
　　另外， 还有基于77 GHz Alps SoC 的Alps AiP(Antenna in Package)产品，其最大特点是把天线/高频最难做的部分集成到封装里了，这样尺寸会变得更小；另外不需要再做天线的设计，免去了后续的开发和高频的板材；再有是成本会进一步下降。
　　第三，加特兰还推出一款产品是60 GHz的AlpsSoC，面向工业与消费类电子，是与加特兰77 GHz的Alps SoC芯片兼容设计的。
　　加特兰所有系列的产品都会在2019 年二季度开始供样，四季度正式量产。

    （注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第4期第26页，欢迎您写论文时引用，并注明出处）

关键词： 201904 CMOS