原標題：《看懂這顆激光雷達芯片，就看懂了索尼汽車》
索尼造車的底氣，都在傳感器上。
作者 | James
編輯 | 曉寒
索尼真要造車了？索尼在CES 2022發布會末尾一口氣展出了兩款概念車——一個是去年已經露過面的純電轎車Vision-S，另一個則是嶄新的純電SUV Vision-S 02。與去年展示的概念車的內外飾設計不同，今年索尼以視頻的形式著重展示了概念車型的智能座艙功能，比如UI設計細節，以及手勢交互、人臉識別等具體功能。
▲索尼推出的兩款概念車
活動現場，索尼CEO吉田憲一郎還表示在2022年春季會成立索尼出行公司（Sony Mobility），專注于“探索電動汽車業務的商業化”。
雖然索尼CEO沒有明說是否會推出索尼牌的智能汽車，但上述表現顯然預示著索尼的汽車業務已是箭在弦上。
作為全球消費電子和娛樂領域巨頭，索尼的影響力和地位有目共睹。但一個關鍵問題是，索尼造車的底氣究竟在哪？
答案是傳感器。
早在2021年CES期間，索尼談到Vision-S時就表示，希望通過自身的CMOS傳感器、固態激光雷達、傳感器融合等成像、感知技術為消費者帶來安全、可靠、舒適的出行體驗。
2021年CES展出的Vision-S上有33個傳感器，其中大部分是索尼自研或使用了索尼的技術。今年CES上，傳感器數量升級到了40個。
這其中有一顆名為IMX459的SPAD（單光子雪崩二極管）激光雷達傳感器（激光接收芯片）。依托索尼的雙層圖像傳感器堆疊技術，激光雷達企業可以基于IMX459造出等效線數上千的超高清雷達，讓汽車看得更遠、更清楚（300米的感知精度為15cm），并且還能以更快的速度計算出距離信息，生成3D點云圖像。
▲索尼IMX459
近幾年，激光雷達行業技術革新很快、雙棱鏡、MEMS、OPA、Flash、FMCW等各種技術路線不斷涌現，新產品層出不窮，但很多都還是圍繞光路設計做優化——沒有從本質上進行升級。
索尼的IMX459顯然就突破了現在的創新困境，從最底層的激光接收和信號處理層面進行徹底改變，為激光雷達行業發展提供了新的基礎。
IMX459只是索尼概念車上的四十分之一，如果其它39個傳感器也擁有類似的底層創新，再加上索尼在感知和自動駕駛領域的投資布局，大法想造出來一臺智能電動汽車根本不是問題。
可以說，看懂了IMX459，你就看懂了索尼造車的底氣。
1.采用SPAD技術 打造11萬像素激光傳感器
激光雷達即將迎來大規模量產上車之時，索尼公布了首顆車規級激光雷達接收傳感器IMX459。這顆傳感器最亮眼之處有兩點，其一是采用對光感知更敏感的SPAD（單光子雪崩二極管）技術，其二是這顆傳感器的像素數量達到了11萬，這是當前量產產品難以比擬的。
從結構上看，這顆激光雷達接收傳感器共有兩層，上層采用了SPAD（單光子雪崩二極管）技術，用于感知反射進傳感器的激光；下層則是邏輯芯片，使用直接飛行時間（D-ToF）技術，就能實現測距。在性能上，索尼在1/2.9英寸的傳感器面積下放進了11萬個SPAD像素，其分辨率為189x600，呈現出一個矩形區域。而每一個SPAD像素的尺寸僅為10微米x10微米。
▲IMX459分為上下兩層
說到索尼IMX459的王牌，就是那11萬像素的SPAD傳感器，它相較于傳統激光雷達傳感器共有兩大優勢。其一是感光能力更強，也就是在使用相同激光發射端的情況下，SPAD傳感器能感知到更微弱的光，感知距離更遠；其二是計算距離的延遲更低，索尼做到了6納秒。
要理解SPAD感光的邏輯，不得不提到照相機。數碼照相機CMOS上的一個個像素，通過接收大量光子，感知到光線強度，通過控制光子進入的數量，最終實現正確的曝光并成像。
激光雷達傳感器的感光元件和數碼相機近似，每一個像素點需要進入特定波長的大量光子，才能形成激光雷達圖像，然后通過一顆計算芯片算出感知距離。
無論是數碼照相機還是激光雷達傳感器，進光量都是“底大一級壓死人”，但車用激光雷達無論是成本還是體積都非常受限，一味比誰底大并不是最優的解決方案。而SPAD方案的興起，讓傳感器廠商找到了進光量不足的另一路徑。
如果進光量不足，加上有干擾光線進入，激光雷達傳感器所成的像就會出現噪點。對于人類而言，一張照片中出現噪點，能通過智慧將噪點內容“腦補”齊全。因此為激光雷達傳感器單獨配備一顆AI芯片，用于噪點、干擾光線處理就是路徑之一。不過，每經過一次處理，都會產生一定時延，如果低時延的優勢被慢慢磨去，自動駕駛的安全性就會降低。
加入AI芯片做信號預處理雖然簡單，但實際表現可能并不完美。
因此，如果能用微弱的進光量“代表”其他光成像，不但能實現更低的延遲，而且通過成像能得到噪點更少的點云圖。
韓國科學技術研究院（KIST）新一代半導體研究所所長張畯然在一篇文章中闡述了SPAD傳感器的工作原理。
▲不同類型圖像傳感器在接受光子照射時電子放大程度
“當在SPAD上施加比擊穿電壓（breakdown voltage）更高的電壓時，會發生碰撞電離現象（Impact Ionization），巨大的電場（electric field）使載流子（carrier）加速運動并與原子碰撞，從而使原子中釋放的自由載流子數量急速增多。這種現象被稱為雪崩倍增（Avalanche Multiplication），會導致圖像傳感器點亮的光子產生大量自由載流子。”他寫道。
這就意味著即便激光發射單元發射的激光僅有少量反射回來，通過雪崩倍增現象傳感器仍舊能夠將光子大量增加，并且識別為大量的光子。這就意味著，SPAD傳感器具有非常高的信噪比。
同時，SPAD在接收的光子數量極少的情況下就能完成成像，因此其“快門速度”可以做到非常短，提升感知幀率。
2.雙層芯片架構 響應速度遠超現有產品
索尼除了將SPAD技術逐步推向量產之外，也使用了已經打磨多年的一項技術——雙層圖像傳感器堆疊，這項技術能夠讓感知響應速度更快。
在去年2月的一次演講中，索尼半導體公司高級經理Oichi Kumagai對SPAD激光雷達傳感器的技術路線進行了詳細介紹。
▲索尼IMX459結構和單個SPAD傳感器
其中，邏輯電路放置在芯片底部，每一個像素尺寸為10微米*10微米。傳感器表面并非完全平整，索尼將每一個像素點做成了一個凸透鏡，從而能夠實現更高的光折射率，提升激光的吸收效果。根據索尼的測試，這一激光雷達傳感器在使用905nm波長的激光光源時，光子檢測效率能達到24%。
▲傳統激光雷達傳感器點云圖（左）SPAD傳感器點云圖（右）
此外，由于每一個SPAD像素都能與下方邏輯電路通過銅-銅（Cu-Cu）組件連接起來，因此只要光子進入SPAD，就能經過雪崩進入邏輯電路。從感知到光子，到完成數字信號轉換，整個過程只需要6納秒，這一表現非常出色。索尼開發了數字時間轉換器（TDC），直接能夠將光子飛行時間轉換為數值，不需要二次計算。
▲索尼IMX459光信號轉換電信號僅需6ns
國內MEMS激光雷達廠商一徑科技的一位產品經理談到，現在市面上其他技術路線的激光雷達接收傳感器的延遲已經能做到比較低，從感知到生成深度數據，基本需要百納秒到幾微秒之間。
然而，索尼的IMX459則是更進一步，相比此前最優秀的產品，也有大幅提升。
IMX459采用直接飛行時間（D-ToF）的方式測距，張畯然在其文章中說道，當光子進入時，SPAD陣列會發射數字脈沖（Digital Pulse），因此更容易跟蹤光飛時間。不僅如此，SPAD還能捕捉精確的時差，因此具有精確的深度分辨率（depth resolution），精確程度甚至可以達到毫米級別。
▲索尼IMX459實際測試
然而，采用D-ToF方式測距帶來了一個問題，那就是感知距離短。例如，近兩年在iPhone和iPad上采用的激光雷達，就采用D-ToF方式測距，其感知距離大概僅有5米。對一款移動設備來說，5米的感知距離絕對夠用，但對自動駕駛來說5米不可用。
SPAD技術再一次體現了它的優勢，在同樣的激光發射功率下，SPAD傳感器僅需微弱的光，也能完成成像，并且其效率不輸傳統傳感器硬件。
▲索尼IMX459在不同條件下的性能表現
索尼還公布了其產品在不同溫度環境下的性能，其中光子探測效率在-40攝氏度時為14%，隨著溫度增加探測效率不斷上升，超過50攝氏度后能達到20%以上，當溫度達到125攝氏度時，探測效率有所下降。
響應時間上的表現更出色，當在-25攝氏度時，響應時間為7納秒，為最慢響應時間，其他溫度條件下的響應時間還要更快。
3.上千線激光雷達不是夢 行業已有先行者
對于激光雷達行業來說，SPAD技術可以說是革命性的。主要體現在兩點，第一是激光雷達等效線數能夠實現大幅度提升，第二是點云處理的步驟可以逐漸淡化。
目前，業內主流傳感器方案是APD（雪崩光電二極管），隨著技術發展，SiPM（硅光電倍增管）和SPAD正在進入激光雷達領域。
▲不同激光雷達技術路線（來自Oichi Kumagai演講）
在相機行業中，佳能已經能做到100萬像素的SPAD傳感器，并且利用SPAD響應更快的優點，實現精準的距離測量。未來，激光雷達接收傳感器能夠像相機一樣，實現“像素”數量不斷增加。一旦像素數量倍增，激光發射端可以做更高的線數，從而實現更精準的深度信息感知。
▲佳能100萬像素SPAD相機傳感器
這樣的提升將是APD、SiPM等技術路線難以匹敵的。
激光雷達還有一大難點就是點云處理，傳統點云處理需要一顆芯片實時處理計算。隨著線數、頻率、角分辨率的提升，計算設備所需算力越來越大，此時還想保證低延遲輸出，并且和視覺傳感器融合就會愈加困難。
然而，SPAD傳感器能夠直接輸出光子計數，并且輸出飛行時間，能夠輕松輸出深度圖像。
正因為這兩點原因，索尼等SPAD傳感器供應商如果能實現高像素SPAD傳感器量產，就能夠改變整個行業。
實際上，索尼并非業內首家使用SPAD技術的傳感器廠商。已經實現量產，明年即將上車的ibeoNEXT激光雷達，其傳感器就采用了SPAD技術。
▲ibeonEXT
與ibeo公司合作并推動激光雷達量產上車的亮道智能，對這顆傳感器有深刻理解。亮道智能一位資深工程師認為，SPAD技術是純固態激光雷達技術路線上非常重要的技術架構之一。
與此同時，行業內還有多種測距技術路線，但這些技術短期內還無法達到量產節點。
據了解，ibeoNEXT除了能夠輸出X、Y、Z的三維坐標信息，還能夠利用能量信息顯示環境圖像。這個能量信息圖與人們常見的黑白照片/視頻類似，可以和激光雷達的點云信息配合同步輸出。最后，配合車上的攝像頭等其他傳感器，就能夠形成信息冗余。
不過，ibeoNEXT的像素點僅有10240個，相比索尼IMX459的11萬相差很遠。即便索尼用3*3進行感知，其分辨率仍然更高。根據前文的分析，像素數量越多，所成的像越清晰，也就是索尼IMX459能實現更清晰的成像，這才是激光雷達更重要的意義。
實際上，除了索尼基于SPAD做激光雷達傳感器之外，相機廠商佳能也正在布局SPAD傳感器，并且做出了100萬像素的CMOS產品。
4.結語：索尼加速智能汽車布局
2020年的CES消費電子展上，索尼推出了其電動汽車Vision S，標志著索尼開始布局智能電動汽車。2022年CES上，索尼推出Vision S-02，進一步加碼智能電動汽車。
同時，索尼多年來影像傳感器、娛樂系統、聲學等領域的布局，在智能汽車時代將有更廣闊的發展前景。索尼在此時布局智能汽車正當其時，正在加速汽車智能化實現。
