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独家拆解:业内首款「百美金级」纯固态补盲激光雷达

本文作者:卢洁萍 2023-10-16 09:46
导语:直击激光雷达最后的痛点。

于无声处听惊雷。

近日,纯固态激光雷达公司芯探科技CEO金丰向新智驾透露,芯探科技的纯固态Flash补盲激光雷达,售价已下探到100美金左右。

犹如最激烈的战争,长久以来,高昂的价格始终是阻碍激光雷达大规模上车的头号劲敌。

在2015年以前,国外厂商出售的激光雷达售价一度高达 8万美元,成为各Robotaxi玩家咬牙滴血又不得不买单的零部件。

从8万到100美元——说是激光雷达来到上车的价格里程碑,并不为过。

近10年过去,即使前向ADAS激光雷达的ASP已经从上万元下探至几千元,但对于追求成本极致压缩的车企来说,还是难以接受让其在30万元以下的主流车型量产。

降本、保交付、提高可靠性......成为了当下各车载激光雷达公司的重点目标。

而从机械式到半固态再到如今的纯固态,激光雷达技术路线已迭代至3.0上车时代。

相比于前两代,纯固态激光雷达集成度更高,没有任何的移动部件,技术成熟后有着更低的成本和更易过车规、可靠性更高的优势,因此投入到这条技术路线的国内外厂商并不少。

Flash激光雷达系统组件构成不算复杂,但如何做到性能和成本的最优化平衡,其中有很多壁垒颇高的Know-how。

芯探科技成立时间仅一年左右,是如何将价格打到100美元以下的?

新智驾对这系列产品进行了独家拆解。

拆解:100美金固态激光雷达的价格秘密

一般而言,一款硬科技产品的总成本结构主要包括物料成本、制造成本、运维费用。

我们先来看看关键的物料BOM成本。

作为核心功能是测距的传感器,芯探科技走的是Flash技术路线。

Flash的概念最早从手电筒的闪光式叫法沿袭过来,从原理上来看,Flash 激光雷达通过在短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,再以高度灵敏的接收器,来完成对环境周围距离图像的绘制。

相比于机械式激光雷达、半固态激光雷达,纯固态激光雷达没有任何类似MEMS、转镜、棱镜等活动扫描部件,整体架构仅由光源(激光发射模组及驱动)、镜头、探测器、主控器这四大核心部件构成。独家拆解:业内首款「百美金级」纯固态补盲激光雷达

芯探科技“创新式”Flash系统架构

1.VCSEL数量较之竞品减半

在发射端,芯探科技和Lumentum深度战略合作,采用车规级多节VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,垂直腔面发射激光器)芯片。

目前业内不少Flash激光雷达玩家都采用VCSEL作为Flash激光雷达的发射光源,这种发射器因在2017年被苹果用在iPhone X Face ID模块中而实现大规模商业化应用,Lumentum、II-VI等是头部供应商。

其中Lumentum是苹果iPhone系列手机的VCSEL供应商,并且是业界第一个符合 AEC-Q102 标准的VCSEL供应商。

在车载方面,Lumentum也是禾赛等车载激光雷达厂商的供应商,规模化出货使得其VCSEL成本不断下探,售价往往只需小几美金。

不同的是,禾赛的FT120、速腾的E1要搭载16颗可寻址VCSEL,而芯探科技M系列Flash激光雷达则只要8颗VCSEL即可达到一样的测距范围(30米)。

在VCSEL价格方面,相比于禾赛、速腾,目前芯探科技的采购量正处于快速爬坡阶段,但据新智驾了解,由于看好芯探科技的产品潜力,Lumentum亦给予了非常大的价格支持。

减半的VCSEL数量、相同的进价——这意味着在发射端的成本,芯探科技Flash激光雷达就降了一半,结合其自研的VCSEL驱动电路,仅用简单的MOS管电路即可高频驱动大电流的VCSEL,这使得在其发射端的成本优势进一步扩大。

独家拆解:业内首款「百美金级」纯固态补盲激光雷达

2.探测器:车规级ToF芯片

光电探测器是Flash激光雷达的最核心组件,这块芯探科技采用其战略合作伙伴ESPROS最新一代的ToF传感器,并创新性地在探测器芯片上二次开发,使得芯片灵敏度和环境光抑制能力进一步显著提升,更好满足Flash激光雷达的应用需求。

APD(雪崩二极管)、SPAD(单光子雪崩二极管)和SiPM(硅光电倍增管,由多个带有猝灭电阻的SPAD并联组成)是目前的三种主要激光雷达探测器。

在车载领域,出于降本、增强测距性能考虑,各家都在从APD向SPAD的方向研发。根据性能要求不同,一颗APD芯片的价格会在10美金~100美金区间浮动,跨度非常大,另外金丰还向新智驾解释道,即便APD出货数量上来了,它的降价空间也有限。

“APD就像钻石,不会说因为钻石卖得多,成本就下降,但施华洛世奇就会比较便宜,因为是玻璃,这个材质决定了它规模上来之后成本会很便宜。”

金丰表示,芯探科技的探测器芯片属于硅基半导体,它的成本就是早已成熟的CIS图像传感器的成本,一般只要十多美金。

这里要了解一下Espros,这是家2006年在瑞士成立的飞行时间(ToF)传感器供应商,此前金丰就曾是Espros中国区市场和技术主管。

在开发ToF传感器的供应商中,国外厂商主要有索尼、佳能、安森美,国内厂商则有阜时科技、灵明光子、芯视界等。

Espros在半导体工艺和Pixel像素方面拥有较深的技术积累,早在2012年就推出了第一款8×8像素的ToF传感器芯片,而国内厂商直到近几年才陆陆续续推出稳定量产的同类产品。国外厂商安森美的车载ToF芯片则研发多年,但仍然无法商业化量产。

“目前Espros的探测器芯片是相对成熟的,所以从2021年11月份投入研发、2022年6月份产品定型、10月份生产,再到2022年12月份量产交付,芯探的产品一年就可以做到量产交付,没有Flash激光雷达厂商可以达到这个速度。”金丰说道。

3.主控芯片:业界唯一采用MCU做主控的激光雷达

如果说探测器是激光雷达用于感知距离的“眼睛”,主控器则相当于大脑,它的核心作用在于做距离的解算和算法处理。

不同于其他Flash激光雷达厂商所选择的FPGA芯片,芯探科技的主控芯片则是车规级的MCU。MCU作为定制化ASIC,和FPGA是完全不同的器件,开发过程和开发思路也不尽相同。

FPGA是用硬件实现软件算法,本质上是一个超大规模的并行计算设备,可以高效地进行并行计算和浮点运算,但价格也比较高,且车规级FPGA价格更是昂贵。

ASIC则是专用的定制化集成电路,能在开发阶段就针对特定功能的算法做优化。

激光雷达在运作过程中,会不断发出激光并收集反射点的信息,同时记录该点发生的时间和强度,再计算出所有反射点的距离,所有反射点距离的合集就形成了点云。

如何处理好大量点云数据是用好激光雷达的关键点,这其中涉及到多次浮点运算、三角函数运算以及大量的坐标系转换运算,对计算资源有着很大的需求。

但在金丰看来,如今业内选择FPGA作为主控芯片,会使得成本较高,而如果能从最基本的ToF原理上将激光雷达的距离解算算法进行优化,其实就可以不再需要那么多的计算资源来进行并行计算和浮点计算。

“芯探科技就是从原理上优化了激光雷达距离解算算法,这样用一块便宜的MCU就能够满足整个激光雷达的距离解算和算法资源。”

由此,在主控芯片方面,芯探科技激光雷达的成本进一步下降,仅为同行的六分之一。

4.光学镜头:在光学组件这块,国产摄像头供应链已相当成熟,因此目前各家厂商在这一块的成本相差并不大。

再加上包材耗材、紧固件等其他物料,最终芯探科技Flash激光雷达的大规模售价可实现在100美金左右。

而据新智驾了解,目前国内厂商的纯固态Flash激光雷达均价在200美元左右,国外厂商的则在300美元左右。

ToF技术“传教士”:陪行业度过漫长岁月

炒同样一盘鱼香肉丝,如何做到味道好吃的同时,还比别家更便宜?这其中除了里脊肉、胡萝卜等原料可以更便宜外,锅煤气油盐以及厨司的人工也是可以下功夫琢磨的环节。

因此固态Flash激光雷达的降本之道,除了最关键的产品架构设计和物料选型外,生产制造也是重要一环。

在这方面,芯探科技与欧菲光深度合作,其激光雷达的标定补偿、三维数据二维图像化、可靠性检测、出厂检测等生产、测试环节均在欧菲光的产线完成,产品已实现量产出货。

目前双方仅投入一条产线就已满足年产十万台的激光雷达需求,后续复制性的增加摄像头产线,即可使得激光雷达的交付产能达到同手机摄像头级别。

独家拆解:业内首款「百美金级」纯固态补盲激光雷达

作为摄像头厂商,欧菲光此前的客户主要是苹果等手机厂商,随着华为、小米等客户投入新能源汽车赛道,欧菲光也开始谋求转型,尝试切入智能汽车领域。

一方有技术,一方有产线,芯探科技和欧菲光有了合作的契机。

金丰和欧菲光结缘很早。

长久以来,ToF相关的核心技术多由索尼、安森美、PMD、Espros等国外厂商把控。

“在2012年到2015年之间,国内很少人知道什么叫ToF技术。”金丰说,直到ToF技术在手机行业开始有应用,“当时我还在Espros,最开始欧菲光想引进ToF技术时,我就去给他们讲解和分享。”

到了2018年,ToF的应用达到高峰,苹果、三星、华为、OPPO、小米等一众手机厂商都在中高端机型配置了ToF镜头。

同样是在2015年前后,激光雷达因在Robotaxi中的商业应用而变身为各VC眼中的“当红炸子鸡”,国内涌现了禾赛、速腾、图达通、北醒等一批激光雷达厂商,他们也都需要用到ToF传感器来开发激光雷达。

很长一段时间里,金丰就像一位ToF技术的“传教士”,在国内各家激光雷达公司间奔走“教课”,华为、大疆、舜宇、欧菲光、速腾等都曾是Espros的“学生”,“如果当时有100家激光雷达或者ToF厂商,估计有60家都是Espros的客户”。

事实上,作为Espros中国区总经理,金丰的工作不仅仅是把探测器芯片卖出去就结束,前期设计时的产品架构应该怎样设计、要选择什么器件来整合、后期产品在模组厂出现了问题怎么办、是温度太高还是环境太复杂......这些日常问题解答、后期的调参数、对设备商的培训等等工作也必不可少。

金丰算是国内最早了解ToF技术的人之一,而随着ToF技术商用化的潮起潮落,行业火热滚烫时一批公司应运而生,随即又迅速有一批公司或倒闭消失或转型另寻出路,从始至终仍坚持在ToF行业的公司和人才已是为数不多。

以ToF技术在手机行业的应用为例,2018年是ToF镜头在手机上商用的高峰点,但由于没有找到ToF技术的刚需应用支持,此后两年情势急转而下,配置ToF镜头的手机又快速消失。

被抛至高空正快速翻转的橄榄球突然失去了承托之手,迫于投资人和生存压力,国内部分ToF厂商开始进入“以价换量”的价格战阶段。

这与索尼、Espros等国外厂商靠卖产品盈利的一贯玩法不同,直接打破了整个行业以往的盈利生态。

牺牲利润换销量——这种打法能玩转的基础在于其下游有客户需求持续托底买单,但对于商业化能力还尚未成熟的ToF行业来说,如此策略很容易导致行业各方陷入两败俱伤的负和博弈“杀价”游戏。

对于产品的感知方案,摄像头、双目、结构光......市场可以选择的技术路线可谓五花八门,目前终端客户对ToF技术的接受程度还不算高,另外就整个产业链而言,其中的诸如探测器芯片、发射器、模组厂等环节也尚未完全成熟,时至今日真正靠产品养活了自己的ToF厂商也仅有Espros、索尼、PMD等少数几家。

“上游的国外厂商不愿意降价,国内厂商买了芯片之后,不考虑研发、销售成本,也不考虑利润,客户说多少钱买就卖,就纯亏,这样实际上最终是谁来买单呢?投资商。这是完全不对的方式。”另一业内人士对新智驾如此吐槽道,“不出三年吧,国内还剩下三、四家ToF厂家就谢天谢地了。”

“曲线救国”拓市场:先上商用车和中低速自动驾驶

岁月漫长,ToF技术乃至激光雷达又何时能实现大规模商业化?

在金丰看来,第一步还是得做到性能满足需求的情况下让激光雷达的价格断崖式下降来打开更多的应用,第二步则是让激光雷达更易用、更好用。

而一个好的激光雷达要在车上用起来,第一是可靠性要高,遇到震动、高低温等干扰环境时不能出问题,第二条件是产品的角分辨率、测量距离、体积、价格等指标参数要均衡,第三就是要易用。

这里的“易用”一方面是指让客户之间易用,最好是做到跟摄像头一样即插即用,另一方面则是指激光雷达本身的软件优化要做好,做到让激光雷达快速适配车的整套软件系统,让客户很“傻瓜”地去用。

对于激光雷达厂商而言,产品的易用性将会是后续很核心的点。

某种程度上,可以把激光雷达类比成相机,现在的激光雷达就像以前的卡片机,仍要根据室内还是室外等场景调参数,而现在的相机已迭代至拿出来就能拍,激光雷达要想达到这样的水平,还需在软件算法层面进一步升级。

不过不管是提高可靠性、抗干扰能力,还是优化算法兼容性、提高目标探测精确度等,这些都需要产品上车被现实复杂环境打磨后才能逐渐完善。

上车的重要一关是过车规,这其中元器件需要通过的AEC-Q系列通用测试标准,激光雷达整机也需要通过第三方的车规认证。

这是一个相当耗时耗力的过程,“等产品全部车规都过完了再去和客户沟通,会存在两个问题,一是时间周期会拉很长,另一个是容易‘闭门造车’,所以现在芯探科技是先让产品的性能、功能满足客户要求后,再去给客户送样,同时让产品过车规、整改、优化。”金丰表示。

除了乘用车,商用车、无人配送车、服务机器人等也都是激光雷达的应用落地场景。

在商用车方面,目前芯探科技和某商用车厂商深入合作,计划在其商用卡车的后视镜上安装两台补盲激光雷达用于BSD检测。

与此同时,自动驾驶方面也在跟国内最大的L4 Robotaxi汽车厂商定制开发,满足自动驾驶车辆的360°环视避障。

在选型激光雷达时,商用车和RoboTaxi的重点并不相同,前者看重产品本身的可靠性,后者则更看重成本这一因素。

Flash激光雷达在乘用车补盲场景的战争还未真正开始,前向场景则早已杀得红海一片,金丰认为,那不如让产品先在商用车等其他刚需场景落地,一方面能获得营收,另一方面也可以同步打磨产品可靠性、优化算法兼容性,“等未来车载补盲激光雷达的比拼开始了,芯探科技就可以迅速切入到乘用车上”。

在车载和非车领域,芯探科技均定位为Tier2,比如芯探科技的Flash补盲激光雷达就可以先集成在车灯中再上车。

激光雷达可应用落地的行业其实相当广泛,但是真正服务好一个行业往往要耗费大量资源、精力,很容易一头扎进去让动作变形,变成从模组厂到集成商什么都做,从而四面树敌,处处碰壁。

“每个行业都有自己的壁垒和诉求,不深扎无法解决行业问题,比如你激光雷达做无人叉车场景,很容易变成叉车制造公司,而不是激光雷达公司了。”

金丰表示,芯探科技作为第三代激光雷达公司,其产品的核心作用就是测距,芯探科技的价值就是通过方案商也好、行业终端客户也好,让激光雷达实现真正的大规模落地应用

车载领域则稍有不同,激光雷达面对的是更为复杂和不可控的开放道路,这要求激光雷达厂商掌握更强的系统处理能力、整合能力、复杂场景解决能力因此在车载市场,不管是核心技术环节还是在前期和车厂的需求沟通,芯探科技都会同方案商或者Tier 1厂商共同参与终端客户的交流。

“关键还是得在产业链上下游实现利益共享。”这位投身ToF技术十余载的行业老兵表示,“芯探科技想做的就是让更便宜的激光雷达在各行各业落地,让ToF技术发挥真正的价值。”

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