在“2019年慕尼黑上海電子展”期間，加特蘭微電子科技（上海）有限公司發(fā)布了第二代CMOS毫米波雷達系統(tǒng)單芯片，主要面向汽車、工業(yè)和消費領域。為此，《電子產品世界》等媒體訪問了加特蘭微電子CEO（首席執(zhí)行官）陳嘉澍先生（左）和運營商務副總裁呂昱昭先生。

    　1 毫米波雷達市場

       據加特蘭提供的資料顯示，雷達市場增長迅速（如圖1），其中汽車應用最大，工業(yè)和消費電子目前市場較小，但增長潛力可觀。

　　車用毫米波雷達數量之所以增加很快，因為從汽車ADAS（高級駕駛員輔助系統(tǒng)）到自動駕駛的演進過程中，對毫米波雷達的需求量增加（如圖2）。具體地，全球量產車是每年1億輛，一輛L3以上的車需要至少5顆以上的毫米波雷達，由此可以算出汽車的需求量是很可觀的。如果再算一下潛在的超短距/超聲波的替代，那就再增加1倍的市場。
　　此外，隨著毫米波雷達的體積減小、成本降低，在工業(yè)和消費類電子中也有巨大潛力。
　　2 CMOS工藝的優(yōu)勢
       如今，77GHz汽車毫米波雷達的CMOS工藝爆發(fā)期已到。此前，毫米波雷達經歷了砷化鎵工藝、SiGe工藝（如圖3），從2017年開始流行CMOS工藝。CMOS工藝已被成功地大量運用在手機通信中，諸如Wi-Fi、藍牙、GPS等，每個細分領域出貨量都超過10億個。
　　CMOS的特點是低造價、集成度高。為此，加特蘭也圍繞CMOS工藝，2017年發(fā)布了第一代77 GHz毫米波雷達射頻前端芯片——Yosemite系列，以及用于工業(yè)和消費電子的60 GHz毫米波雷達射頻前端芯片——系列，涵蓋了從短距、中距到長距的一體化解決方案。2019年3月，加特蘭又發(fā)布了第二代產品——Alps系列。

　　那么，CMOS為何比傳統(tǒng)的Bi-CMOS工藝有優(yōu)勢？
　　首先，Bi-CMOS就是SiGe工藝，2007年開始就可以做了。Bi-CMOS工藝因為加入了鍺類元素，使晶體管更加活躍，所以它的工作頻率可以更高。但是，Bi-CMOS工藝是難以做到大規(guī)模集成的，因而無法集成大量的數字處理能力。
　　第二，Bi-CMOS絕大多數的晶圓是8英寸的，而CMOS很多是標準的12英寸晶圓，所以成本上面CMOS更有優(yōu)勢。
　　第三，CMOS工藝已被大量應用在各種領域，諸如個人計算、通信等，這些細分領域的年出貨量在幾十億個。而Bi-CMOS工藝的應用局限在一些高頻領域，諸如光通信或一些基站的高速回傳，那些應用領域的年出貨量只有千萬級。所以CMOS工藝的經濟規(guī)模帶來的成本效應是遠遠超過其他半導體工藝的，這也是為什么加特蘭想要去用CMOS工藝實現任何看起來不太可能實現的這些應用。加特蘭公司CEO陳嘉澍先生指出：“半導體行業(yè)有一個規(guī)律，任何能用CMOS工藝實現的產品，最終都會用CMOS工藝去實現，并實現大量普及。”

　　3 加特蘭的CMOS芯片的設計難點

       既然CMOS有很多顯著的優(yōu)勢，例如低成本、高集成度，但是為什么很長時間內并沒有用來做77 GHz毫米波雷達？
　　因為在很長一段時間里，由于CMOS的制程所限，使晶體管的速度達不到足夠高的工作頻率。大約從2010年開始，CMOS進入40 nm之后才具備這種可能性。加特蘭也是在具備了這種可能性之后的第一批挖掘其潛力的公司。
　　加特蘭在毫米波集成電路的設計方面的積累是非常深厚的，從2004、2005年就開始研究怎樣用標準的低成本CMOS工藝去實現高頻的集成電路，以及模塊和系統(tǒng)層面。可見，雖然加特蘭成立于2014年，但是核心團隊此前的經驗積累已超過10年。
　　那么，加特蘭在研發(fā)過程中遇到了哪些技術挑戰(zhàn)？
　　首先是怎樣在標準的數字CMOS工藝上實現毫米波頻段的電路，并且是一個完整的系統(tǒng)，包括鎖相環(huán)、發(fā)射機、接收機、混頻器等，并且讓這些系統(tǒng)能夠工作在汽車所要求的溫度范圍：-40℃到120℃。CMOS工藝是被大量使用的半導體工藝，但是它本身不是為高頻電路、高頻應用設計的，它的最大能力還是在于數字的集成。因此，需要充分了解CMOS工藝的半導體特性，能夠把潛在的工作在高頻的特性能力發(fā)揮出來，并且做到符合汽車所要的溫度范圍，同時會用大量的數字電路去保護或去增進模擬電路的一些短板和缺陷，讓整套系統(tǒng)工作得比用一個簡單的工藝要更好。
　　第二點在于第二代Alps不僅有射頻前端，還有整個雷達信號處理引擎，因此怎樣實現一個高性能、低功耗的雷達處理基帶是一大挑戰(zhàn)。加特蘭之所以不用標準DSP的原因也是在于采用硬件加速ASIC的方式可以實現更高的性能、更低的功耗。當然這要求設計者對毫米波雷達信號處理有充分的認知，這會涉及大量算法開發(fā)的工作，尤其是針對汽車場景的算法。汽車的雷達場景和傳統(tǒng)軍用的空中雷達還是很不一樣的。所以，這部分其實也是一大設計難題，整個業(yè)界也是處于早期開發(fā)的階段。所以，加特蘭投入了很多的精力——怎么樣把整個雷達信號處理引擎集成到單芯片上，并且和射頻前端無縫銜接、同步配合工作。
　　4    與激光雷達、攝像頭的關系

       目前智能駕駛核心的兩個傳感器是視覺和毫米波雷達，已經被一定程度上應用在乘用車上面了，也將是未來L2到L3級別智能駕駛的主力傳感器。
　　激光雷達現在更多的是應用在無人駕駛測試車上面，其最大瓶頸還是在于成本非常高，一顆激光雷達的成本可能接近于一輛整車的成本，在短期內是比較難實現在乘用車上裝配的。所以如果看近5年甚至更長一段時間內智能駕駛的普及，最主要是視覺和毫米波雷達這兩種傳感器的普及。
　　加特蘭聚焦在毫米波雷達這部分，希望通過提供高集成度、低造價和易使用的CMOS芯片，能夠讓更多的（汽車一級供應商）和更多的OEM（整車廠）盡快導入毫米波雷達傳感器，讓它們不僅僅用于高端車， 甚至中端車、低端車都能用。
　　那么，毫米波雷達與攝像頭的關系是如何的？實際上，各種傳感器未來是共存的。每種傳感器有它的優(yōu)點，也有缺點。視覺的優(yōu)點在于信息量大，可以識別車道線、路牌、標識等。但是就像人眼一樣，視覺沒法做到精確地測量距離，而且受光線、天氣影響都比較大。毫米波雷達是基于電磁波的，所以可以是全天候工作的，不受天氣和光線的影響。并且毫米波雷達可以精確地測量距離，例如100米開外到底是100米還是101 米。
　　因此，從長遠來看，這些傳感器會共存，相互發(fā)揮自己的特長，彌補對方的短板，因為車也是需要冗余的。例如車的AEB（自動緊急制動）和ACC（自適應巡航）系統(tǒng)通常依賴兩種傳感器融合，未來即便一種傳感器有足夠的能力，也需要另外一種傳感器去提供數據的互相檢查，提供足夠的冗余性。

　　5    與超聲波、視覺的關系

       超聲波傳感器確實已經被大量地使用了，但是短板也是很明顯的。第一，其測量距離非常有限，可能只覆蓋3到5米。在較長距離，例如監(jiān)控車流，需要探測幾十米；探測液面高度，也許是幾十米的高度，這方面超聲波是沒法滿足的。
　　關于手勢識別，其實超聲波、視覺和雷達都能做手勢識別，各自有各自的優(yōu)點和短板。視覺的短板在于其實很多手勢識別是消費電子產品，可能有一些隱私的問題，用戶不太希望整個東西暴露在監(jiān)控之下。超聲波可以做近距離的探測，但是超聲波的短板在于探頭必須是外露的，這一定程度上會影響產品的外觀設計，用戶會看到兩個探頭在外邊，例如倒車雷達，你可以看到車上有很多地方打了孔，因為探頭必須曝露在外面。
　　而電磁波的好處在于可以隱藏在設計里面，不破壞整個外觀。如果未來取代超聲波倒車，車上根本不用打洞，它可以放在保險杠的后面。而放置超聲波雷達，需要每輛車的顏色都適配一種。
　　手勢識別也是一樣的，如果是手表或手機，用戶不希望看到超聲波的探頭，而毫米波雷達可以隱藏在屏幕或者是外觀的后面。
　　還有一點，超聲波是不能探測方向的，只能知道這個東西離你多遠，需要多個超聲波傳感器協(xié)同測量，因此整體方案的復雜度和體積會增加。
　　那么，毫米波的功耗如何？
　　相比視覺和超聲波，毫米波雷達是可以做到功耗最低的。因為超聲波要輸出聲波，探測幾米的話需要非常高的電壓，所以功耗并不低。
　　由于雷達傳感器的應用場景不同，取決了它里面的算法實現和射頻的配置不太一樣。現在加特蘭做的適合車載的Alps芯片是77 GHz的，能探測一二百米的距離，可同時探測上百個目標。在消費電子手勢識別的應用里，由于沒有這么遠的距離探測需求，也不需要探測很多目標，一定程度上是可以簡化的，因此功耗不會和汽車雷達是同一個量級。
　　6    未來方向

       加特蘭首先還是聚焦在毫米波雷達傳感器芯片的研發(fā)上，接下來會進一步提高探測的性能，包括進一步針對一些應用進行小型化開發(fā)，高性能方面還包括目標數量的增多。再有，會研發(fā)新的射頻芯片部分的架構和模塊，還會進一步開發(fā)雷達的算法。
　　7    加特蘭及第二代芯片的背景介紹

       加特蘭微電子2014年成立于上海，創(chuàng)始團隊來自硅谷海歸。公司擁有毫米波雷達設計自主知識產權和經過驗證的完整車規(guī)級芯片開發(fā)流程，是全球第一家量產CMOS毫米波雷達收發(fā)單芯片的公司，也是亞洲第一家通過車規(guī)認證的77 GHz毫米波雷達芯片公司，全球第一家成功導入前裝車輛并量產的CMOS- 77 GHz毫米波雷達芯片公司。
　　此次加特蘭發(fā)布了第二代產品——77 GHz的Alps SoC。這一代與之前的產品有很大的提升和變化。最重要的是除了射頻部分的性能提升之外，很大一部分是在數字部分，里面包含了雷達的處理引擎，即有CPU，這樣把數字部分做得更加完善了，優(yōu)勢是可以 縮短客戶的開發(fā)時間，簡化開發(fā)過程；再有，隨著集成度的提高，也會讓整個芯片包括系統(tǒng)的成本再次下降。
　　另外， 還有基于77 GHz Alps SoC 的Alps AiP(Antenna in Package)產品，其最大特點是把天線/高頻最難做的部分集成到封裝里了，這樣尺寸會變得更小；另外不需要再做天線的設計，免去了后續(xù)的開發(fā)和高頻的板材；再有是成本會進一步下降。
　　第三，加特蘭還推出一款產品是60 GHz的AlpsSoC，面向工業(yè)與消費類電子，是與加特蘭77 GHz的Alps SoC芯片兼容設計的。
　　加特蘭所有系列的產品都會在2019 年二季度開始供樣，四季度正式量產。

    （注：本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第4期第26頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處）