苹果iPad Pro在用的这项技术,中国团队首次实现全流程突破

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苹果iPad Pro在用的这项技术,中国团队首次实现全流程突破
麻省理工科技评论 2020-06-11

2020-06-11

中国芯片领域的又一突破。
芯片 苹果
中国芯片领域的又一突破。

如果你是一位果粉,对于苹果最新 iPad 可能并不陌生。

在苹果官网对 iPad Pro 的介绍中,“激光雷达扫描仪” 是这款平板的卖点之一。

苹果iPad Pro在用的这项技术,中国团队首次实现全流程突破

激光雷达扫描仪,可以通过激光雷达技术,测量光线触及物体、和反射回来所需的时间,来确定距离。据了解,NASA 也将在下次火星登陆任务中用到这项技术。

而 iPad Pro 中的激光雷达扫描仪,利用直接飞行时间(dToF,direct Time-of-Flight),可以测量室内或室外环境中、从最远五米处反射回来的光。

这项功能,让 iPad Pro 拥有了增强现实的能力。比如,可以在平板上呈现身体骨骼,从而帮助医生治疗患者。

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这项功能还让 iPad Pro 可以下载指定 App,观看火箭升天的 AR 效果。

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当然,激光雷达扫描仪的应用,远不止于这些。先来看下什么是 dToF 技术。

dToF 技术,是 ToF(Time of flight,飞行时间)的技术分支。ToF 的技术原理,是通过测量光从发射、到达物体表面再反射回来的总时间,结合已知的 “光速”,计算即可得到被测物的距离。

而 ToF 的 “儿子” dToF,简单来说,就是直接通过时间算距离。搭载 dToF 技术的激光雷达传感器芯片,在航空航天、无人系统和消费电子等方面,有着较大应用。

近日,西安电子科技大学发布的 dToF SPAD 激光雷达传感器芯片(Single Photon Avalanche Diode,单光子雪崩二极管),已经实现目前报道中最远的 dToF SPAD 探测距离。

苹果iPad Pro在用的这项技术,中国团队首次实现全流程突破

图 | dToF SPAD 激光雷达传感器芯片

据了解,这项成果由该校朱樟明、杨银堂教授做指导,刘马良教授全权负责具体事宜。芯片由西安电子科技大学和宁波芯辉科技有限公司联合研制,其标志着中国在只有本国研发人员参与之下,首次实现 dToF SPAD 激光雷达传感器的全流程突破。

dToF SPAD 激光雷达传感器芯片的尺寸一般是 5mmx5mm 左右。芯片性能上,具有以下三大优势:1、单芯片集成核心感光器件 SPAD 整理及精准测距电路、多种测距精度优化和抗背景光干扰算法等功能;2、具有 32×32×4 分辨率、超 30fps 的刷新率;3、在 200mW 功耗下,可以实现 12-15 米的远距离高精度探测。

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图 | SPAD 激光雷达样机

就 dToF SPAD 传感器技术本身来说,它是实现激光雷达小型化、低成本、可量产的核心技术。目前,该团队已经掌握全集成线性模式和单光子模式激光雷达的传感器、混合信号电路、系统架构、定制化工艺等全流程核心关键技术,在 dToF SPAD、Si-PM、高动态 TIA 等方面,处于业界领先位置。

团队还在 IEEE TCAS-I、IEEE TCAS-II、IEEE Sensors J、IEEE TI&M 等期刊,发表 10 多篇激光雷达传感器论文,是近年来国际上发表激光雷达 IEEE 期刊论文最多的团队。

团队技术负责人刘马良介绍称:“整个 dToF SPAD 激光雷达传感器芯片立足国内自主可控工艺、团队主要成员均由国内的博士和硕士构成,团队从 2014 年就开始专注于芯片化激光雷达技术的研究,现在团队已经掌握整个芯片化激光雷达全流程 核心技术,能够根据系统需求,结合芯片设计,全定制化面阵激光雷达芯片,技术完全不输于国外最先进水平。

2020 年第四季度,该团队还将推出 QVGA(QVGA,Quarter Video Graphics Array,四分之一视频图形阵列)分辨率的 dToF SPAD 激光雷达传感器芯片。未来将向市场提供包括传感器芯片、激光器驱动芯片、自动化标定系统及三维图像算法的一站式解决方案。”

刘马良告诉 DeepTech,该项目于 2017 年立项,从最初研制 SPAD 单像素,到 2020 年完成面阵化集成、相应算法及软件开发,耗时三年时间。

具体研发上,共计有 10 几人,分别负责模拟混合芯片设计、光电探测器仿真、系统开发、应用软件开发等板块。

谈及研发该芯片的初衷,刘马良表示:“过去面阵 SPAD 激光雷达芯片,一直面临着国外技术垄断,几年前国内的状态,基本是分立 SPAD 光电感测器件和单个集成电路都有研究,但是 CMOS 面阵化激光雷达处于空白,虽然有回国人员做这件事情,但是当前形势下很难达到自主可控的目的。”

三年之后,这种局面终于得以缓解。而前文的宁波芯辉科技有限公司,主要包含刘马良、朱樟明等 4 位联合创始人,刘马良介绍称,芯片产品很快会以公司的名义发布和销售。

对于本次成果的意义,他表示,这代表着中国已经实现 SPAD 激光雷达从光电感测器件、芯片、系统、算法、软件的全方位突破,并已掌握相应的关键核心技术,这将为 VGA(VGA,Video Graphics Array,视频图形阵列)级别大面阵激光雷达的研制奠定基础,是国内自主创芯成果之一。

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