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聚焦三大应用市场,安森美半导体重新定义智能感知业务

作者:单祥茹 主编  来源:中国电子商情

发布时间:2019-05-27

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安森美半导体的前身是摩托罗拉半导体,1999年从摩托罗拉半导体分拆。20年后,总收入近60亿美元的安森美半导体成功进入美国《财富》500强。在过去的五六年间安森美半导体的产值增长近一倍,汽车和工业是公司非常重要的两个业务板块。其中,来自汽车市场的收入占总收入的约1/3,工业市场约占比1/4,通信市场约占比1/5。之所以形成这样的市场布局,与安森美半导体的业务划分紧密相关。公司有三大产品部门,包括电源方案部(PSG)、模拟方案部(ASG)和智能感知部(ISG)。据安森美半导体智能感知部全球市场及应用工程副总裁易继辉(Sammy YI)介绍,安森美半导体在整个电源行业表现非常出色。去年,公司将图像传感器部门(ISG,Image Sensor Group)更名为智能感知部门(Intelligent Sensing Group)。这不仅仅是名称上的更改,而是表明公司在感知业务领域即将推出全新的市场策略和解决方案。

智能传感器、深度感知、传感器融合是感知未来发展的三个趋势。智能传感器已被广泛应用于汽车、机器视觉、边缘人工智能三个领域。而重赋内涵的安森美半导体智能感知部亦将这三大应用市场作为接下来的主攻方向。“在这三个板块中,全球世界500强的客户,包括一些新型创新企业都是我们的客户。我们的目标是‘创造超越人眼的视觉’。当然,有一些功能现在已经完全超过了,但这只是我们技术开发的开始。”易继辉表示。

图1 汽车图像传感器是一个快速增长的市场

汽车市场策略:提供感知和视觉总体解决方案
现在,应用于汽车上的智能感知元器件越来越多。目前安森美半导体为启用自动驾驶的车辆配有9个图像传感器,下一代正在开发的产品将超过12个,另有约20个正处于研发阶段。同时还配备有10个雷达,至少2个超声波,将来也会配置至少1个激光雷达。这样的装备使得汽车的感知能力甚至超过驾驶员。驾驶员的视线范围一般只能覆盖前方180度,最大也就是200度左右,而汽车的智能感知能力可以做到360度无死角,并且是全天候工作。“感知技术搭配人工智能,未来自动驾驶和智能驾驶一定会比人类更可靠、更安全,只是现阶段技术还尚未成熟。”易继辉说。

在汽车智能感知应用上,安森美半导拥有宽广的汽车传感器阵容。据易继辉介绍,2018年,安森美半导体产品占整个超声波行业市场份额的60%。“2017年通过收购IBM海法研究小组(IBM Research Haifa Lab)在以色列的毫米波研发中心,安森美半导体拥有了毫米波雷达方案。2018年5月,公司再次出手收购了爱尔兰 SensL Technologies公司,该公司的核心技术之一是SPAD(单一光电雪崩二极管),产品具有非常高的感光效应。因此,安森美半导体是迄今全球唯一一家拥有所有感知技术的公司。我们的战略布局是进一步提升综合能力,使其达到极致,以宽广的产品阵容满足客户全方位的需求,而不是仅仅在某一个领域做到极致。这是我们的战略布局,也是我们未来的一个优势。”易继辉表示。

图像传感器力争实现动态范围最大化:图像传感器是整个半导体行业复杂程度最高的技术,其中包含很多前沿技术,它需要将光子和电子二者结合,把光转换成电,再把电转换成光。光转换成电以后,通过数字线路和模拟线路进行传输。据易继辉介绍,安森美半导体已经可以做到两个芯片堆栈,并已经在批量生产。三个芯片堆栈的量产很快也会实现,接下来还将把处理器、存储器等加载到图像传感器中。

宽动态最早是满足汽车应用的需求,现在宽动态已经不光局限在汽车应用上,还延伸至边缘人工智能和工业领域。简单来说,宽动态是指一个图片上亮和暗的比差。用手机从室内拍摄窗外的时候,一般室外景物拍摄清晰时但室内拍摄效果却是一片漆黑,若保证室内清晰窗外效果就一片空白,原因就是手机的宽动态不够。

夜间行车,特别是遇到相向而行的车开启大灯的时候。在宽动态102dB的情况下,可以看到路边行人的轮廓,那人工智能就可以判别左边有行人。但如果宽动态在90dB或80dB,人工智能算法就没有办法判断这是人,甚至看不到左边这个实体的存在。所以,宽动态汽车在应用中非常重要。

图2  图像传感器必须拥有最大化的动态范围才能在汽车应用中发挥应有作用

功能安全和网络安全双管齐下:从易继辉提供的第三方市场调研数据可以看出,安森美半导体在安森美半导体在汽车视觉和感知领域已经处于绝对的市场领先地位。2016年,智能感知部门在汽车视觉(Viewing)和感知摄像机(Sensing)两个市场的总体市占率达到50%。2018年,市占率上升到62%,如果只看机器视觉(ADAS+自动驾驶),已经拥有超过80%的市场份额。

图1 安森美半导体在汽车图像传感器市场处于绝对领先地位

在汽车应用中除了性能之外,功能安全也至关重要。自动驾驶不仅要可靠,更要可信。要做到可信,就要从最底层的元件做起。另外,随着汽车智能化进程的加快,网络安全也变得越来越重要。对于一辆自动驾驶的汽车而言,如果有黑客控制汽车或者在系统上做一些手脚,将会造成极大的危害。据易继辉介绍,安森美半导体是全球第一个把网络安全功能增加到图像传感器中的半导体公司,目前产品已经处于量产阶段。

加大汽车生态系统建设:建立汽车生态系统合作伙伴关系非常重要。目前,安森美半导体的生态系统分为三个层面:第一,在产品上的对接,即新开发的产品必须与合作伙伴的新产品对接;第二,在产品线路图上的对接,即新产品的线路图与友商的下一代新产品的线路图对接;第三,也是最深层次的合作,即产品概念上的契合,在产品定义之前就与合作伙伴展开合作。

建立全面的汽车智能感知阵容:目前汽车电子的应用主要针对三个方向,一是车外的人工视觉,包括环视、后视;二是车外的机器视觉,包括ADAS、自动驾驶。三是舱内监控,除了传统的驾驶员疲劳监控,还有疾病检测、情绪/生理检测,安全气囊精准调整、人机互动(Human Machine Interaction)、虹膜识别(Iris Detection)和人脸识别等。另外对乘员的监控、宠物检测、机器人出租车(robot taxi)的很多的功能等都属于舱内监控。

近红外+(NIR+)像素技术是应用于汽车领域的重要技术,汽车在夜间行驶时对近红外传感器的有极高的要求。安森美半导体的近红外频段在850纳米至940纳米之间,增加了约4倍的近红外灵敏度。

现在的图像传感器主要包括两项技术,即卷帘式快门和全局快门技术。全局快门是一次性即时捕捉所有的信号。卷帘快门是逐行扫描,在拍摄高速运转的物体时,图像会变形,但如果采用全局快门,拍摄出的效果会非常清晰。“七、八年前,就是因为这项技术我们在工业扫描行业拥有超过60%的市场占有率。现在这项技术已经发展至第八代。与竞争对手相比,我们至少领先两代。该技术将很快应用到汽车上,主要针对驾驶员疲劳监控功能。”易继辉说。

毫米波雷达在自动驾驶中将扮演重要角色。安森美半导体正处于客户评估阶段的一款产品,其主要优势是能降低整个系统的成本。目前市场需要4个发射器,该产品只需2个就能达到同样效果。随着L2、L3、L4和全自动驾驶的需求增长,长距、中距和短距毫米波雷达的需求量将越来越多,安森美半导体的成本优势将愈发突出。

安森美半导体的激光雷达是通过收购获得的,产品原在医疗设备市场上拥有最高占有率。现在,这项技术将转入到汽车应用,并且成为市场上第一款达到车规的激光雷达。由于采用固态雷达,这款产品的成本大约到几百美元,在一个动不动就需要上万美元的激光雷达市场,实在是自动驾驶行业的一大利好,其接下来的竞争力不容小觑。

工业机器视觉市场策略:以产品的不可取代性占领市场制高点
随着人工智能的开发,工业机器视觉和边缘人工智能越来越受到业界重视。除了传统工厂自动化、智能化工厂的发展,机器视觉还在智能交通、新零售、智能楼宇/家居、机器人等领域不断发展。安森美半导体凭借全方位的产品阵容,在工业机器视觉市场表现亮眼。

与汽车市场一样,安森美半导体在工业机器视觉市场拥有宽广的产品阵容。既有CMOS图像传感器,又有CCD图像传感器,可达到上千万的VGA(视频图像分辨率)。

图4 针对工业机器视觉市场,安森美半导体可同时提供CMOS和CCD图像传感器

其中,安森美半导体XGS传感器系列采用3.2微米全局快门CMOS设计,降低了设计尺寸。具有高宽动态、低功耗架构、低噪声等特点。同时,安森美半导体拥有全系列像素的传感器产品,客户的一个摄像机可以支持多种分辨率。29x29mm是工业上使用的标准相机尺寸,在这么小的尺寸下实现高像素是一件极其困难的事情。据易继辉介绍,XGS传感器系列采用紧凑占位,在同样29x29mm尺寸内像素点明显提高。现在PYTHON系列可以达到1200万像素,XGS系列可以达到1600万像素,且均已量产。而PYTHON系列是目前市场上唯一一个在29x29mm尺寸上做到1600万像素的产品。XGS 45000系列像素非常高,功耗低仅有3瓦,支持8K视频。以PCB检测为例,使用2000万像素传感器只能看到其中一部分,至少需要2个摄像头或两次曝光,仅用一个XGS 45000系列即可检测PCB的全貌。

KAI-50140 CCD图像传感器是一款5000万像素的CCD图像传感器。CCD的优势是图像质量非常高,主要应用于高端相机,但成本也很高。现在的典型应用主要用于4K平板检测。4K平板检测现在已经从LED过渡到OLED,OLED和LED最大的区别是LED有背光源,而OLED是每个像素本身带一个光源。由于每个光源的均匀度是不一样的,给检测带来了挑战。要保证在检测的时候能够看得非常清楚,将LED光源的不均匀度分辨出来,现在只有CCD图像传感器能够做到。KAI-50140 CCD图像传感器的优势将在这一领域得到充分体现。

边缘人工智能策略:加快新产品开发进程壮大产品线
随着AI技术、5G、IoT(物联网)的不断发展,云端、物端、边缘计算技术应运而生。云端计算速度非常高,感知、识别或判断、决策、行动这四个步骤都可在云端进行处理,但最大的问题是大量数据送到云端成本非常高,延时性也不好,边缘计算应运而生。现在的边缘设备主要有两种,一种是处理密集型,对传感器智能和功耗要求并不高,但需要终端有更高的处理能力。另一种是IoT设备,对耗电量有苛刻的要求,同时对灵活性也有非常高的要求,能随时唤醒。

AR0430、AR0431是安森美半导体专为IoT设计的传感器。最大的特点是低功耗,一帧时只有8毫安,而且其帧数可以在1帧至120帧之间调节,典型的应用是家中的监控相机,无人时相机不工作,一旦有人走动就会触动它开启。

另一款安森美半导体正在开发的传感器产品,主要用于边缘人工智能应用,产品类似全局快门,实际上是卷帘式快门,但功能相当于全局快门,速率非常高,每秒约250帧左右。低成本、小尺寸、低功耗是它的另一大特色,在1帧的情况下功耗小于2.5毫安,芯片尺寸小到几乎可以隐藏起来。因使用到 NIR+技术,夜间成像也有了保证。另外,该产品还有运动检测以及自动唤醒功能。

图5 面向边缘人工智能应用,安森美半导体正在研发下一代传感器

SPAD阵列激光雷达(LiDAR)Pandion是安森美半导体今年刚刚推出的一个产品,固态光源Flash可以感知3米内的深度,扫描式的波速控制(Beam Steering)则可以感知到100米左右的深度。因采用了矩阵型感光点,形成400×100的矩阵,区别于传统的点云(point cloud),该激光雷达可以形成图像。易继辉表示:“这是我们走的第一步,把激光雷达矩阵化,变成图像,以后我们提到的可能就不是LiDAR point cloud,而是LiDAR image。”

门禁、闸口人脸识别的防伪是安森美半导体产品在人工智能深度感知上的一个应用尝试。它们用相机同时提供彩色图像和深度图像,2D相片识别后为平面的,没有深度的数据,因此,安森美半导体则通过CNN(卷积神经网络)深度学习提高感知的可靠性。

对于安森美半导体智能感知部门而言,在至关重要的应用领域——汽车自动驾驶、工业机器视觉、边缘人工智能,以完整的感知模式及成像方案,包括超声波、成像、毫米波雷达、激光雷达和传感器融合,全方位服务市场和客户,应是其重新定义该部门的最大目标。

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