作者 | 周雅
乘着智能汽车的“东风”,图像传感器作为机器视觉之“眼”,正在往越来越精密的方向刷新技术高度。在民间消费者角度,也流传着这样一个评估汽车智能化的直观感受:
“如何感受汽车智能化?坐进驾驶室里就知道。”
“如何评判驾驶室智能化?数数传感器种类和数量就知道。”
图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的设备,典型的图像传感器的核心是CCD单元(Charge-Coupled Device,电荷藕合器件)和CMOS单元(Complementary Meta-Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)。不过,现代多数传感器均使用CMOS单元,是因为高速和低功耗、低成本、高集成度等制造方面的优势。
在汽车电子领域,CIS(CMOS图像传感器)已经大规模出现在智能车载行车记录、前视及倒车影像、360°环视影像、防碰撞系统等之内。而随着汽车智能化发展,单辆汽车平均搭载CMOS图像传感器的数量将显著增加。据德勤分析,L1/L4级别自动驾驶的传感器数量为6个,而L3/L4/L5分别达到13/29/32个。
图像传感器是复杂的半导体器件。图片来源/安森美
作为全球CMOS图像传感器领域的霸主之一,安森美(onsemi)聚焦“智能感知”和“智能电源”两大重点,在汽车和工业领域逐渐走出一条强势发展之路。
安森美智能感知事业群工业及消费应用分部副总裁兼总经理John Gerard,于7月8日在中国(上海)机器视觉展暨机器视觉技术及工业应用研讨会Vision China 2024期间,对媒体分享了这么两组数据:
先来看智能感知领域,安森美的CIS(CMOS图像传感器)在「汽车」和「工业」领域的市占率持续第一。Yole Group数据显示,2023年安森美在全球汽车CIS领域以33%的市场份额位居第一,其次是中国的豪威集团(27%)和日本的索尼(14%)。John Gerard补充说道,“此外,在用于泊车辅助的超声波传感器领域,安森美也是第一;在用于汽车ADAS的激光雷达领域,安森美也是新兴的领导者。”而在全球工业/安防CIS领域,安森美以31%的市场份额超越索尼(30%)成为领先者。
再看智能电源领域,安森美在SiC(碳化硅)功率元件市场强势增长,根据TrendForce集邦咨询数据显示,2023年,安森美在SiC功率半导体市场由2022年的第四名跃居第二名,市场份额为23.6%,而意法半导体(ST)以32.6%市占率位居第一。John Gerard介绍说,“在工业领域,安森美提供MV(中压)MOSFET、HV(高压)MOSFET、碳化硅和IGBT功率器件,为不同的应用提供高能效。”
安森美智能感知事业群工业及消费应用分部副总裁兼总经理John Gerard
如果数据只能反应出事实的一面,那么接下来安森美的分享,则给出了另外的角度。
“买买买”中成长起来的CIS巨鳄
在图像传感器领域,安森美之所以能独占鳌头,与多年的技术沉淀和商业策略有很大关系。
安森美的前身,可追溯到摩托罗拉的标准产品半导体业务,1999年它从摩托罗拉分拆之后,正式成为了一家叫做「安森美半导体」(ON Semiconductor) 的独立公司。
而进一步夯实半导体行业地位,是在2016年,安森美收购「仙童半导体」(Fairchild Semiconductor),成为一家顶级的半导体制造商。仙童半导体开创了用硅而不是更常见的锗来制造晶体管,它还开创了平面工艺,可以更容易地以更低的成本制造性能更高、可靠性更高的晶体管,得益于这种平面工艺,仙童半导体在1960年开发了第一个商业上可行的集成电路,“这是我们当代许多创新成果的奠基”。
从技术沉淀上,上面这两段经历,造就了安森美在半导体技术领域,集成了摩托罗拉和仙童半导体的技术根基;而从商业版图上,安森美开辟了一条“买买买”的豪气之路,也因此在行业里一骑绝尘。
安森美在图像传感器领域的里程碑事件
上图可以直观看见安森美的历史渊源,囊括了这家公司的收购历程,包括收购了Cypress、Truesense、Aptina、Sensl等公司,这里的每一家,都是传感器阵列的佼佼者。比如:
· Truesense公司的前身——Kodak(柯达)的图像传感器部门,柯达科学家Bryce Bayer所发明的「拜耳阵列」正是图像传感器的基础技术之一。
· 2011年,安森美收购了Cypress半导体的CMOS图像传感器业务部,Cypress的定制CMOS传感器被广泛用于ARRI专业数字摄影机上,采用ARRI摄影机、镜头和灯光系统拍摄的电影屡次获得奥斯卡各类最佳影片、最佳摄影等奖项。John Gerard在采访中透露:“70%好莱坞电影拍摄都采用基于安森美图像传感器技术的ARRI摄像机。”
· 2014年,安森美又收购了Aptina,其前身是“CMOS图像传感器的发明者”Eric Fossum创办的第一家CMOS商业化公司Photobit (Photobit曾经于1986年发布了首款百万像素CCD传感器)。
· 2018年,通过收购SiPM和SPAD的供应商SensL,安森美扩展了自己在3D成像、雷达和LiDAR(激光雷达)领域的技术实力,进而扩大了在ADAS(高级驾驶辅助系统)等自动驾驶汽车应用的市场份额。
· 2024年7月,安森美宣布完成收购SWIR Vision Systems,其胶体量子点(CQD)技术,能将系统的可视性和检测范围从标准CMOS传感器波长扩展到了SWIR波长。通过此次收购,安森美将把硅基CMOS传感器和制造专长与CQD技术相结合,以更低的成本、更高的产量提供高度集成的SWIR传感器。这将带来结构更紧凑、成本效益更高的成像系统,具有更宽的光谱,可广泛应用于商业和工业领域。
再回溯2021年,为了更进一步聚焦技术组合、差异化产品线、市场定位,「安森美半导体」更名为安森美(onsemi),凭借“智能感知”和“智能电源”两轮驱动,把目光着重放在工业、汽车两大板块。
就这样,通过持续扩大商业版图,安森美可以说是历史最悠久的CMOS图像传感器公司(至今超过45年)。也因此拥有业界最多的成像专利(超过2300项),同时也拥有较为完整的产品组合。John Gerard进一步指出,“从最早的CCD传感器,到现在高性能的CMOS传感器,安森美有很多合作伙伴和经典里程碑成像产品,包括首台原型数码相机,从而逐步扩展到工业、汽车、消费、IoT等25个细分领域。”
每一次技术突破,每一次商业落地,都是安森美在成像技术领域的一次进阶。
打出一套产品组合拳
上文已经提及,汽车和工业这两大板块,是安森美的核心业务板块。我们再来看工业领域,这家公司同样提供了完整的CIS产品及解决方案。
在此次Vision China上,安森美重点展示了「全局快门传感器」和「卷帘快门传感器」两大类产品线。
其中,「全局快门」的工作原理,是指在快门打开时,所有像素同时开始曝光,再在快门关闭时同时结束曝光,因此可以拍摄到非常清晰、锐利的图像,很适合快速抓拍,如体育摄影、野生动物拍摄、机器人拍摄等场景。
而「卷帘快门」的工作原理,是指在快门关闭前,从传感器的顶部到底部以扫描式的方式逐条曝光,这种方式的缺点是容易出现动态模糊的果冻效应(jello effect)或拖影,尤其是在快门速度较慢时更明显,所以适用于拍摄非动态物体,如人像摄影、静物摄影等。
相比之下,全局快门具有更高的响应速度、更清晰的图像质量,但是所需要的传感器面积更大、功耗相对更高、成本也更贵;卷帘快门可以在更小尺寸内、实现更高分辨率,价格相对亲民。
1、全局快门传感器
根据安森美智能感知事业群工业及消费应用分部产品线总监Danny Scheffer介绍,目前安森美面向工业领域的全局快门CIS产品线,主要有三个系列、共22款产品:PYTHON系列、XGS系列、Hyperlux SG系列——PYTHON提供最高帧率,XGS提供最佳图像质量,Hyperlux SG提供最具成本效益的解决方案。
具体而言,PYTHON系列是安森美10年前就已开发的产品,也是是安森美第一款用于工业机器人、工业相机的产品,该系列分辨率从1.3MP到25MP有8种分辨率可供选择。“PYTHON的帧速率可以4倍地增长,从120fps变成480fps,可以应用于PCB检测、铁路的检测。”Danny Scheffer说道。
安森美智能感知事业群工业及消费应用分部产品线总监Danny Scheffer
XGS系列的功能更丰富,分辨率从1.3MP到25MP有11种分辨率可供选择,特点是「多用途、兼容性强」,此外它还具有超低功耗的优势,与竞争产品相比,功耗可降低达2倍,这也使得其更易于进行热管理,成本也相对较低,适用于通用机器视觉、电池检测、半导体检测、智能交通系统 (ITS)、广播(8K at 60fps)等领域。“它可以做到30fps,拍电影就用它,美国体育场转播系统就是采用该系列。”Danny Scheffer透露。
Hyperlux SG系列的特点是「紧凑型」,有3种分辨率可供选择,拥有卓越的微光性能和eHDR,并可提供最具成本效益的解决方案。“Hyperlux SG是比较经济实惠的产品,主张性价比就选它。”
此外,安森美面向工业全局快门图像传感器产品中,还拥有支持深度信息感知的Hyperlux ID系列。目前Hyperlux ID系列有一款产品,即内置深度影射的1.2MP智能iToF(间接飞行时间),内置深度处理、嵌入式存储和高速性能,适用于物流、机器人和无人机等领域。
据Danny Scheffer介绍,之所以选择做iToF,而不是苹果等厂商选择的dToF,是由于技术突破——“安森美的iTOF技术相比传统的iTOF传感器可以覆盖更长的距离,传统的iToF一般是5米左右,我们可以做到20米,深度距离长,环境光抑制能力也更强,可以适用于更多的应用场景,可以支持在户外工作。”
安森美Smart iToF运动深度感知方案,可以实现最远20米的检测距离
2、卷帘快门传感器
同样,在卷帘快门传感器领域,安森美也有三个产品系列,分别是:Hyperlux LP、Hyperlux LH、Hyperlux。
其中,Hyperlux LP系列的特点是「低功耗」,采用堆栈式架构,1.4微米BSI像素,可实现超小的传感器尺寸和超低功耗。同时,还支持运动唤醒(WOM)功能,可以进一步降低功耗;且支持智能感兴趣区域(SmartROI)功能,可以大幅节省带宽。根据安森美智能感知事业群工业及消费应用分部产品线总监Jason Wang介绍,“现在Hyperlux LP系列是业界功耗最低的传感器,其8MP的产品功耗只有同行的1/3”。
安森美智能感知事业群工业及消费应用分部产品线总监Jason Wang
具体到产品型号,Hyperlux LP系列包括:AR2020、AR0830、AR0544。其中,AR2020和AR0830在工业应用中得到广泛应用。AR2020可以将全帧20MP图像实时传输,这在工业领域得到了广泛采用,多家大公司正在使用中,并计划在年底推出相关产品。
Hyperlux LH系列的特点是「高动态」,采用堆栈式 2.0um BSI像素,HDR高达120 dB,其eHDR技术可节省系统资源,并且该传感器在近红外光谱中具有高量子效率,能够在不牺牲图像质量的前提下,减少其使用数量、降低光照强度需要、降低总体BOM成本。
Hyperlux系列则支持最高动态范围(150db)、LED 无闪烁,单次曝光可达110db HDR,具有卓越的微光性能和“一劳永逸” 的设置功能。
采用AR0822传感器的4K卷帘快门解决方案
20MP的AR2020和12MP的Hyperlux LH卷帘快门图像传感器方案
至此,安森美在工业和汽车CIS市场拿到亮眼的成绩背后,离不开长期打磨的产品技术创新,然而不止如此,安森美还拥有强大的遍布全球的研发与制造网络。据悉,安森美目前在全球9个国家拥有19座生产工厂,并在全球19个国家设有43个设计中心,此外还在5个国家设有解决方案工程中心,全球员工总数达到33000人。
具体到CIS产品(包括车规级的CIS)方面,安森美拥有完整的端到端的内部制造能力,涵盖了「晶圆制造(主要是在美国纽约州的晶圆厂) -- 色彩滤波阵列(CFA))和微镜技术(美国和亚洲均有200mm和300mm产能)-- 晶圆检测(美国爱达荷州)-- 组装(马来西亚)-- 最终测试(马来西亚)」等所有关键流程。
总结而言,安森美既拥有完整的内部制造体系,也有利用外部供应商的全球代工产能,以实现双供应链体系,进而保障供应链安全。同时也能够更好调节产能,应对市场需求的变化,为客户提供更稳定的供货。“客户可以根据供应链策略,灵活考虑方案。”安森美智能感知事业群工业及消费应用感知部门副总裁兼总经理John Gerard如是说。
好文章,需要你的鼓励
谷歌一直在强调用Gemini将AI践行到底,只不过这次在中国的内容,传递了很多特色故事,这些故事有谷歌的AI如何点亮中国传统文化,如何创造种类繁多的AI应用,以及更重要的,如何赋能中国开发者的成功出海。