芯耀
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全數(shù)字化，是必然之路。
2月24日上午，當人形機器人公司的機器人“青龍”手中接過一臺RoboSense速騰聚創(chuàng)的激光雷達E1R，也就是RoboSense速騰聚創(chuàng)下線的第100萬臺激光雷達，一個“數(shù)字化”意味的事件定格了。
“激光雷達已全面進入數(shù)字化時代。”這是RoboSense速騰聚創(chuàng)CEO邱純潮在2025“Hello Robot”發(fā)布會上，提出的宣告。邱純潮還表示：“在全面數(shù)字化之后，激光雷達已經(jīng)收斂到一個成熟穩(wěn)定的架構(gòu)中，即將在汽車、機器人與無人機市場加速滲透和普及?！?/p>
不過，被全視覺路線逼到墻角的激光雷達還有戲嗎？還有，怎么才叫數(shù)字化的激光雷達呢？
1、從模擬信號到數(shù)字信號
從光的波粒二象性來說，數(shù)字化的激光雷達就是用數(shù)字方法檢測和處理光子信息，而不是此前的用連續(xù)“波”探測。從波到光子，這是一個質(zhì)的飛躍。這相當于照相機從膠片機進化到數(shù)碼相機。
核心環(huán)節(jié)，在于采用能以單光子形態(tài)檢測激光的“單光子雪崩二極管”SPAD（Single Photon Avalanche Diode）。理論上而言，SPAD擁有“無窮大增益”。
SPAD的工作原理是，當一個光子被探測器吸收后，能夠觸發(fā)一個雪崩效應，產(chǎn)生一個可以被檢測到的電信號。然后，在接收端直接輸出數(shù)字信號，達成信號感知的數(shù)字化。目前的行業(yè)水平，單光子探測器的探測效率在10%左右，后續(xù)這個數(shù)值應該能逐步提升到20%、30%。
這種高靈敏度的光電探測器件，能夠在非常低的光照水平下檢測單個光子。而且，省去了“模擬-數(shù)字”轉(zhuǎn)換過程，提升了分辨率、精度、集成度以及感知融合能力。同時，也避免了模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中可能引入的噪聲、失真和量化誤差等問題，有效保障信號傳輸的完整性和處理的準確性。
另外，SPAD芯片的采樣時間分辨率可達到幾十皮秒級（1萬億分之一秒），這對以檢測飛行時間差為基本工作原理的激光雷達而言至關重要。
換句話說，無論是此前的主流探測器APD，還是當前的主流探測器SiPM（硅基光電倍增管，Silicon photomultiplier），輸出的信號都是模擬信號，而SPAD輸出的則是數(shù)字信號。
不僅如此，SPAD輸出的數(shù)字信號的處理、儲存、乃至激光器件的控制，均可憑借算法集成到芯片上進行，在提高運算效率的同時，降低了對物理零部件的依賴。
而此前，模擬信號的信息采集往往需要復雜的多顆獨立芯片精密配合，成本高、體積大。同時，信號的分辨能力弱、解析力差，能量的使用效率也低，最終結(jié)果就是功耗高，以及很難被小型化集成。
APD器件是這樣，SiPM器件也是如此，需要把激光器發(fā)射功率做得很高、光學系統(tǒng)的尺寸做得很大。而SPAD從光子進入到轉(zhuǎn)化為電信號都是數(shù)字化的，規(guī)避了這些弱點，體積上的小型化集成也就順理成章了。
2、大面陣和小面陣
眾所周知，激光雷達的芯片化是其未來發(fā)展的三大趨勢之一。
激光雷達的芯片化程度越高、芯片的集成度越高，成本就越低。在dToF（Direct Time of Flight）激光雷達中，業(yè)內(nèi)取得共識并默認的是，芯片化的VCSEL+SPAD面陣是降本的大方向。
其中，雖然近幾年國內(nèi)有很多家VCSEL芯片供應商進入成熟量產(chǎn)階段，可以提供比較豐富的選擇，但SPAD芯片技術主要掌握在索尼、濱松、安森美等國際供應商里。尤其是用于車載激光雷達的大面陣SPAD芯片，只有“繞不過去”的索尼IMX459。
不過，從這次1月份速騰聚創(chuàng)發(fā)布的數(shù)字化激光雷達來看，亮點也在于突破了大面陣技術難關，成功自研出全球首款激光雷達專用數(shù)字化SPAD-SoC芯片M-Core，并實現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)（只是，很重要的產(chǎn)品良率多少，目前不知道）。另外，比較好奇的是，禾賽科技最近官宣自研的SPAD達到什么水平。
轉(zhuǎn)回來說，什么叫大面陣和小面陣呢？
根據(jù)此前九章智駕對識光芯科團隊的采訪，識光團隊的解釋是，大面陣與小面陣的關鍵區(qū)別在于應用場景、分辨率和探測距離，以及內(nèi)部集成度和設計難度上的差異。
簡單來說，大面陣主要面向車載場景，而小面陣主要面向手機等消費級產(chǎn)品。大面陣既要分辨率足夠高，又要探測距離足夠長，還要信噪比較低，這對數(shù)據(jù)采集和處理都提出了很高的要求。
小面陣 SPAD 只需要完成光信號的原始數(shù)據(jù)采集，信號處理可以交給外部處理器（手機和掃地機器人普遍都是這個架構(gòu)），但車規(guī)大面陣就不行。
車規(guī)大面陣的原始數(shù)據(jù)量往往是消費類小面陣的千倍甚至萬倍以上，能達到幾百GB/秒甚至TB/秒的量級，以目前的車載網(wǎng)絡帶寬，遠不夠處理如此巨大的數(shù)據(jù)量。
所以，大面陣產(chǎn)生的數(shù)據(jù)必須在“本地”由芯片自己先處理完，然后再把提取出來的距離和信號特征信息傳輸給域控制器。
還有，大面陣的芯片尺寸本身也帶來了物理層面的挑戰(zhàn)。信號通路，供電網(wǎng)絡、時鐘網(wǎng)絡、發(fā)熱管理、DFM等一系列問題，都需要解決。
其中，“芯片設計面對的本質(zhì)上是一個二維的平面的世界，伴隨芯片面積的增加，信號通路的擁擠程度是幾何級數(shù)上升的。而且，面陣芯片中的2D尋址（專業(yè)術語）又會將設計難度推向一個新的高度?！?/p>
包括2D尋址和3D堆疊技術，都是需要攻克的難關。而隨著禾賽科技、速騰聚創(chuàng)等中國企業(yè)的技術突破，激光雷達的未來發(fā)展非?？善凇?/p>
3、905nm勝出？
還有一個很有意思的事，數(shù)字化的激光雷達還涉及到激光收發(fā)系統(tǒng)的905nm和1550nm路線之爭。
而前面所說的SPAD，是根據(jù)系統(tǒng)集成度的不同，已進入量產(chǎn)階段的TOF激光雷達的激光發(fā)射系統(tǒng)可分為EEL（邊發(fā)射激光芯片）和VCSEL（面發(fā)射激光芯片），接收系統(tǒng)可分為APD與SPAD。
根據(jù)光源波長的不同，激光收發(fā)系統(tǒng)則主要分為905nm與1550nm兩個大類。雖說根據(jù)業(yè)內(nèi)人士的說法，“車企現(xiàn)在對905nm和1550nm都不是特別滿意?！钡牵驹诘谌降慕嵌葋砜?，目前是905nm路線占主流。
業(yè)內(nèi)的說法是“FMCW（frequency-modulated continuous-wave，調(diào)頻連續(xù)波）天然是1550nm”，但是目前車端所用、頭部企業(yè)量產(chǎn)的還是dTOF。也就是說，F(xiàn)MCW陣營所采用的1550nm路線目前在車端還處于非主流狀態(tài)。
一個重要的區(qū)別是，905nm用的是半導體激光器，而1550nm采用的則是光纖激光器，從目前來看，雖然1550nm波段在激光雷達領域的應用要早于905nm，然而行業(yè)的硅基基礎決定了，半導體激光器落地要容易得多。這也是905nm勝出的根本原因。
還有，這兩種激光器在原理上的差異也影響到了電光轉(zhuǎn)換效率（激光雷達將電能轉(zhuǎn)換為光波的效率）。
目前行業(yè)內(nèi)的共識是，總體上，1550nm的電光轉(zhuǎn)換效率比905nm低。
據(jù)禾賽提供的數(shù)據(jù)，905nm的VCSEL激光器的電光轉(zhuǎn)化效率在消費類電子里面可能達到40%，在激光雷達里面接近20%，而1550nm的電光轉(zhuǎn)換效率則只有10%出頭。
而且，綜合業(yè)內(nèi)的分析，1550nm激光器功耗高、散熱難這個問題目前基本上是無解的。因而，其功耗也無法降低至跟905nm同等的水平。
按禾賽的說法，能享受到單光子探測器SPAD這一紅利的，主要是905nm，1550nm要做成車載環(huán)境下可正常使用的單光子探測器“難度極大”。
所以，從目前來看，激光雷達的數(shù)字化建立在SPAD的基礎上，算是天時地利人和。畢竟，經(jīng)由SPAD輸出的規(guī)整點云數(shù)據(jù)，天然具備和數(shù)字圖片的像素數(shù)據(jù)融合的優(yōu)勢，直接輸出的高質(zhì)量數(shù)字信號，也更容易和IMU等其他傳感器數(shù)據(jù)融合。
此外，非常重要的一點在于，這些產(chǎn)出的原始點云數(shù)據(jù)可以直接輸入神經(jīng)網(wǎng)絡參與AI算法，甚至和時空維度上精準對齊的視頻數(shù)據(jù)進行融合，開啟“3D主動視覺+AI”的無限想象空間。
總之，激光雷達進入數(shù)字化時代后，隨著成本不斷降低，全視覺路線的沖擊和威脅反而越來越小。這也為激光雷達的后續(xù)發(fā)展鋪平了道路?？梢哉f，激光雷達的數(shù)字化，太重要了。
作者丨王小西
責編丨北? ?岸
編輯丨王? ?越
