濱松視角：解析SiPM在自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)中的關(guān)鍵作用

  ICC訊 上一篇本是同根生，相煎何太急?——論SiPM vs SPAD在激光雷達(dá)應(yīng)用場(chǎng)景上優(yōu)劣勢(shì)，我們談到了SiPM和SPAD本是同根生，其核心的區(qū)別等話題，其中形成如下結(jié)論：

  1、SPADs和SiPM從物理層面上完全是同樣的東西，它們最小的感光單元都是單通道的蓋革模式雪崩二極管，;

  2、SPADs和SiPM兩種方案獲得有效信號(hào)方式的關(guān)鍵區(qū)別在于，是依靠時(shí)間相關(guān)矯正電路去區(qū)分信號(hào)和噪聲，還是依靠可配置多路比較器的閾值篩選信號(hào)和噪聲;

  3、SPADs和SiPM兩種方案之間做選擇的金標(biāo)準(zhǔn)是，“要獲得的是芯片直接處理完畢的距離信息(SPADs)”還是“要獲得的是用戶自己對(duì)距離信息獲取過(guò)程的定義權(quán)(SiPM)”。

  針對(duì)那些青睞SiPM作為解決方案的用戶，本次探討的核心聚焦于“如何甄選一款理想的適配車載激光雷達(dá)的SiPM”，以及那些看似抽象的技術(shù)參數(shù)如何在實(shí)際應(yīng)用中煥發(fā)價(jià)值。

  本文大體圍繞以下五個(gè)方向展開(kāi)論述：

  一、濱松開(kāi)發(fā)針對(duì)車載產(chǎn)品堅(jiān)守的基本原則

  二、開(kāi)發(fā)車載激光雷達(dá)對(duì)SiPM的參數(shù)需求

  三、SiPM的多元影響：正面價(jià)值與潛在風(fēng)險(xiǎn)

  四、激光雷達(dá)價(jià)格和價(jià)值在時(shí)間維度的曲線預(yù)測(cè)

  五、激光雷達(dá)的未來(lái)路徑和適配的SiPM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

  在正式探討之前，筆者想要引用最近汽車行業(yè)大佬，奇瑞汽車尹同躍先生的一句話作為開(kāi)場(chǎng)白：

  “我認(rèn)為中國(guó)的卷很重要的一塊還是創(chuàng)新不足，尤其是技術(shù)創(chuàng)新不足，大家都同質(zhì)化，同質(zhì)化帶來(lái)的唯一的競(jìng)爭(zhēng)只剩下一個(gè)價(jià)格戰(zhàn)，所以我想中國(guó)的企業(yè)特別是汽車企業(yè)，不要忘了企業(yè)的本源，企業(yè)的本源是創(chuàng)造價(jià)值，為用戶創(chuàng)造價(jià)值，為社會(huì)創(chuàng)造價(jià)值，如果說(shuō)我們這個(gè)1塊買，8毛錢(qián)賣，這樣的事兒在別的國(guó)家覺(jué)得是很蠢的事兒，但在中國(guó)似乎還比較普遍，其背后可能更多的指望于資本市場(chǎng)帶來(lái)更大的回報(bào)，來(lái)彌補(bǔ)經(jīng)營(yíng)上的不足。企業(yè)本身的造血能力是企業(yè)生存的基礎(chǔ)條件。而實(shí)現(xiàn)自造血的關(guān)鍵一環(huán)就在于技術(shù)創(chuàng)新，為客戶實(shí)現(xiàn)價(jià)值創(chuàng)造……?！?

  ——引用自11月12日，奇瑞控股集團(tuán)有限公司董事長(zhǎng)尹同躍先生在第三十一屆中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)上的發(fā)言。尹總的話擲地有聲，切中要害。大家都做一樣的東西，用資本的力量短期內(nèi)替換了產(chǎn)業(yè)價(jià)值是一種戰(zhàn)術(shù)，但是長(zhǎng)期寄希望于資本游戲就很難說(shuō)是長(zhǎng)久之計(jì)。做出特色和不同，讓客戶的產(chǎn)品有區(qū)別于其他競(jìng)品的價(jià)值呈現(xiàn)，是我們產(chǎn)業(yè)類公司時(shí)刻要思考的話題。探討車載激光雷達(dá)，其中核心的部件無(wú)疑是，收/發(fā)光部件、光路部件(透鏡掃描鍍膜等光學(xué)材質(zhì)和穩(wěn)定性)，以及ASIC電子學(xué)驅(qū)動(dòng)部件。SiPM(硅光電倍增管)參數(shù)的優(yōu)劣對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的具體影響，長(zhǎng)期以來(lái)一直是眾多主機(jī)廠技術(shù)DRE及負(fù)責(zé)人深感困惑的問(wèn)題。近期，筆者經(jīng)常接到來(lái)自主機(jī)廠朋友的詢問(wèn)，他們渴望了解SiPM不同參數(shù)背后的深刻含義，以及這些參數(shù)差異如何在實(shí)際應(yīng)用中影響激光雷達(dá)的表現(xiàn)。同時(shí)讓我們欣慰的是，主機(jī)廠不滿足激光雷達(dá)廠家對(duì)他們的介紹宣傳，需要自己掌握并建立一套理解核心器件的底層知識(shí)儲(chǔ)備，可見(jiàn)認(rèn)真做智駕，做安全駕駛的主機(jī)廠對(duì)激光雷達(dá)這個(gè)關(guān)鍵部件的看重。

  為此，筆者決定做一下分析思考并展示出來(lái)給大家參考。事先聲明，由于激光雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜程度，在系統(tǒng)論的角度下不同的實(shí)現(xiàn)方式對(duì)SiPM各個(gè)參數(shù)的依賴程度不盡相同，故此我們以假設(shè)相同的一套系統(tǒng)下，僅僅通過(guò)更換不同參數(shù)特征的SiPM能帶來(lái)的哪些參數(shù)變化的角度來(lái)做一個(gè)分析。

  濱松開(kāi)發(fā)針對(duì)車載產(chǎn)品堅(jiān)守的基本原則

  在深入探討之前，容筆者先向您介紹濱松在車載產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中所遵循的基本原則(部分)：

  1、致力于大幅度降低汽車行駛在全場(chǎng)景下的Corner Case下的安全隱患，是每一個(gè)車企、方案提供商、激光雷達(dá)、器件廠家這個(gè)鏈條上從業(yè)者對(duì)消費(fèi)者安全保障的最大承諾，也是做長(zhǎng)久品牌的關(guān)鍵出發(fā)點(diǎn)。

  2、心懷敬畏，不隨意承諾或夸大承諾，無(wú)法滿足客戶訴求的技術(shù)和產(chǎn)品支持能力。

  3、為客戶的 “研發(fā)、試作、量產(chǎn)”的全流程成本控制和全生命周期的質(zhì)量保證服務(wù)?？刂撇少?gòu)單價(jià)，同時(shí)做到，量產(chǎn)后不會(huì)隨著規(guī)模部署，額外產(chǎn)生二次衍生成本(返品、維修、替換)。期待我們的深度用戶看到這段，復(fù)盤(pán)一下合作歷程，是否在使用濱松的器件過(guò)程中，可以感受到我們的行為舉止對(duì)如上原則的詮釋和踐行。

  開(kāi)發(fā)車載激光雷達(dá)對(duì)SiPM的參數(shù)需求

  為了回答此問(wèn)題，我們不得不回到場(chǎng)景中看一下。

  應(yīng)用載體：移動(dòng)中的汽車;

  時(shí)間約束：Day-Nigh 24小時(shí)，8年時(shí)間;

  空間約束：公路路況為主、不排除鄉(xiāng)村路況和非規(guī)整路況;

  高頻場(chǎng)景：高速/快速AEB觸發(fā)(自動(dòng)剎停)、智能駕駛領(lǐng)航輔助(NOA)、代客泊車輔助(AVP)等?；旧隙际悄芙鉀Q時(shí)間浪費(fèi)和重復(fù)工作的應(yīng)用痛點(diǎn)。目前的場(chǎng)景訴求分兩種性質(zhì)，其一是高速移動(dòng)下提高安全下限，另外則是低速場(chǎng)景下減少時(shí)間和財(cái)務(wù)的損失;

  解決問(wèn)題：安全強(qiáng)化，減少損失;智能化體驗(yàn)，釋放時(shí)間。

  本質(zhì)上智能駕駛中的“智能”，其精髓深植于兩大核心價(jià)值之中：一是安全性的極致追求，滿足人們對(duì)安全需求的深切渴望;二是便利性的優(yōu)化升級(jí)，巧妙地將時(shí)間從駕駛?cè)蝿?wù)中解放出來(lái)。讓車自己開(kāi)自己做到比人自主開(kāi)車，在特定場(chǎng)景下更安全、更加省時(shí)間是這個(gè)商業(yè)閉環(huán)的核心錨點(diǎn)。

  那么基于上述環(huán)境條件，我們進(jìn)行約束穿透分析：

  通過(guò)上述的分析，我們基本上對(duì)SiPM應(yīng)該具備的6大主要參數(shù)特征有了如下認(rèn)知。

  SiPM的多元影響：正面價(jià)值與潛在風(fēng)險(xiǎn)

  我們進(jìn)一步分析這六個(gè)參數(shù)對(duì)不同的SiPM用戶的正面意義和潛在風(fēng)險(xiǎn)。

  上述參數(shù)，我想針對(duì)PDE，參數(shù)一致性，長(zhǎng)壽命等方向應(yīng)該沒(méi)有什么異議，我著重解釋兩個(gè)概念，第一個(gè)是目前經(jīng)常被忽略的暗計(jì)數(shù)。暗計(jì)數(shù)率在常溫下高光場(chǎng)景會(huì)淹沒(méi)在光噪聲里面，故此不容易被關(guān)注到。如下圖所示信號(hào)和噪聲很容易被區(qū)分出來(lái)：

  但是當(dāng)噪聲隨著溫度提高而倍增，超過(guò)了一定的閾值，暗計(jì)數(shù)會(huì)被記錄為光信號(hào)，比如1.5 pe高度，進(jìn)而導(dǎo)致錯(cuò)誤探測(cè)。舉個(gè)例子，從15°到105°，暗計(jì)數(shù)會(huì)增加1000倍，(每30度提高，暗計(jì)數(shù)提高10倍)。因此，如果在15°C時(shí)暗計(jì)數(shù)為100 kHz，那么在105°C時(shí)暗計(jì)數(shù)就會(huì)變成100 MHz。在正常溫度范圍內(nèi)沒(méi)有問(wèn)題，但在高溫范圍內(nèi)誤報(bào)的概率會(huì)增加?？紤]到最高使用溫度為105°C，在正常溫度下暗計(jì)數(shù)約為100 kHz是理想的。如果暗計(jì)數(shù)超過(guò)這個(gè)值，在高溫范圍內(nèi)誤報(bào)的概率就會(huì)增加，從而降低準(zhǔn)確性。如下圖中下方高溫情況示意圖。

  第二個(gè)是FWHM，首先要說(shuō)明是Signal FWHM和后面的Amplifier的時(shí)間特性有強(qiáng)相關(guān)性，越快的信號(hào)FWHM越能方便系統(tǒng)獲得真實(shí)的信號(hào)而降低錯(cuò)誤率。有時(shí)候由于放大器的參數(shù)太low，導(dǎo)致細(xì)微的差異在過(guò)程中被忽略掉。我們針對(duì)目前市面上外購(gòu)的主流15um的SiPM進(jìn)行的同等情況下的對(duì)比，得到如下的結(jié)果：看圖說(shuō)話清晰明了。無(wú)論是加多閾值比較器還是快速的TDC采樣，更好的FWHM意味著更高的準(zhǔn)確率。

  有了如上參數(shù)方向的對(duì)齊關(guān)系，我們可以初步的明白SiPM的參數(shù)到底是為了激光雷達(dá)哪些性能服務(wù)。哪些參數(shù)的提高會(huì)影響SiPM方案的設(shè)計(jì)和批量落地。方案bom純加法的成本是成本A，批量落地生產(chǎn)成本是成本B，產(chǎn)品交付后出現(xiàn)的客訴和返品是成本C，初期階段大批量的資源投入可以消化成本B，但是后期一旦成熟之后，成本B的影響就會(huì)逐步的體現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)成本B開(kāi)始穩(wěn)定的時(shí)候，成本C的重要程度就逐步凸顯出來(lái)。

  當(dāng)然，這里所有的產(chǎn)品都不是一上來(lái)都是完美的，就像激光雷達(dá)技術(shù)也是隨著其他關(guān)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展(視覺(jué)，端到端等)出現(xiàn)形態(tài)和參數(shù)的轉(zhuǎn)變。隨著技術(shù)的升級(jí)，市場(chǎng)用戶價(jià)值的判斷方向和法律法規(guī)的邊界等參量的變化，適配最佳的產(chǎn)品才是雷達(dá)公司的最優(yōu)解。雷達(dá)公司對(duì)我們的器件公司的輸入，也會(huì)隨之而來(lái)。

  激光雷達(dá)價(jià)格和價(jià)值在時(shí)間維度的曲線預(yù)測(cè)濱松的SiPM產(chǎn)品開(kāi)發(fā)也都是跟隨著市場(chǎng)需求逐年進(jìn)步，在合適的時(shí)間開(kāi)發(fā)出最合適市場(chǎng)需求的產(chǎn)品是每個(gè)一個(gè)從業(yè)者的最佳實(shí)踐，有時(shí)候產(chǎn)品過(guò)早的開(kāi)發(fā)出來(lái)，市場(chǎng)需求沒(méi)到位，容易導(dǎo)致項(xiàng)目的虎頭蛇尾。同樣，當(dāng)市場(chǎng)需求出來(lái)的時(shí)候沒(méi)開(kāi)發(fā)出合適的產(chǎn)品也是一個(gè)商業(yè)錯(cuò)配，掌握市場(chǎng)需求趨勢(shì)，安排產(chǎn)品上市的節(jié)奏感尤其重要。為此，我們總結(jié)了激光雷達(dá)價(jià)格和價(jià)值曲線(僅提供一種視角)供大家參考。

  整體而言，當(dāng)前激光雷達(dá)功能處于價(jià)格低于價(jià)值的階段性區(qū)間，車廠到2025年之前的選擇標(biāo)的，一上來(lái)就會(huì)使成本導(dǎo)向型，成本導(dǎo)向型會(huì)倒逼激光雷達(dá)供應(yīng)商通過(guò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化(壓縮光路部件)、部件劣化(比如玻璃變注塑，高透率材料變?yōu)榈屯高^(guò)率材料)、加工優(yōu)化(單位時(shí)間產(chǎn)出能效)等對(duì)策做出調(diào)整。

  2026年之后，當(dāng)智能駕駛配置率上升之后，開(kāi)啟率一定會(huì)逐步提高，然后功能OTA升級(jí)隨之而來(lái)，同樣的頭頂雷達(dá)的方案，有的做的優(yōu)秀，有的做的不如視覺(jué)的差異化會(huì)隨著“懂車帝”、“汽車之家”等媒體和第三方評(píng)測(cè)自媒體會(huì)放大，當(dāng)然這里不排除智駕領(lǐng)先者贊助的第三方商業(yè)對(duì)比策略。比“鬼探頭避讓策略”“高速AEB剎車”“不規(guī)則道路智駕駛體驗(yàn)”“AVP停車體驗(yàn)”等等。這個(gè)階段對(duì)價(jià)格回歸是可以預(yù)測(cè)的。同時(shí)海外市場(chǎng)的擴(kuò)展，由于“卷”度不足的經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)苛的要求認(rèn)證機(jī)制和流程，價(jià)格之外的性能也被追逐，高性能比的產(chǎn)品會(huì)被導(dǎo)入，并進(jìn)行對(duì)激光雷達(dá)價(jià)格的回調(diào)。

  結(jié)合上述時(shí)間軸的特征條件分解，我們可以得知：

  激光雷達(dá)行業(yè)在經(jīng)過(guò)波峰波谷之后的洗禮，目前越來(lái)越明確的發(fā)展路徑。

  一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景是低成本方案作為視覺(jué)方案下的安全冗余，其典型場(chǎng)景是強(qiáng)化快速行車中的AEB，其典型的價(jià)格區(qū)間是100美金-150美金。測(cè)距能力、線束多少都可以定向打折。

  另外一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景是強(qiáng)化性能方案，在智能安全駕駛方案中，以激光雷達(dá)數(shù)據(jù)作為相當(dāng)重要的權(quán)重，測(cè)距能力和分辨能力都有不能妥協(xié)的準(zhǔn)入指標(biāo)。其典型的價(jià)格區(qū)間在500-800美金。

  結(jié)合SiPM和SPAD的使用與原理，目前針對(duì)車載激光雷達(dá)市場(chǎng)的格局會(huì)出現(xiàn)如下的特征：

  1)Step1：低成本方案的激光雷達(dá)會(huì)大規(guī)模的以瞭望臺(tái)1比1的模式配置到15w起步帶智能駕駛的車型中，這個(gè)階段會(huì)出現(xiàn)在2025年Q2。這里配置以低成本3節(jié)EEL，低節(jié)VCSEL作為光源，2D掃描點(diǎn)SiPM或者小陣列SiPM為主要實(shí)現(xiàn)方式。

  2)Step2：隨著L3級(jí)別的功能逐步實(shí)現(xiàn)和保險(xiǎn)兜底的商業(yè)模式的探索，高性能激光雷達(dá)比如300線~500線的激光雷達(dá)，在同等測(cè)距能力下實(shí)現(xiàn)更好的分辨率能力為一個(gè)代表，這一場(chǎng)景會(huì)出現(xiàn)在2026年Q2的高端車型，價(jià)格普遍在30 w起步。以高端豪華品牌為主。這里有兩個(gè)細(xì)分方向，一個(gè)是固定測(cè)距200 m@10%產(chǎn)品的多線化，另外一個(gè)是確定線束的長(zhǎng)距化250 m@10%。前者是超500線的激光雷達(dá)，以高度集成的SPAD SOC作為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，后者是256~360線長(zhǎng)距激雷達(dá)，以自研ASIC為技術(shù)準(zhǔn)入門(mén)檻+長(zhǎng)陣列SiPM為解決方案居多。

  3)Step3：隨著商業(yè)化落地和法規(guī)完整性清晰化，加之海外駕駛場(chǎng)景高速化的訴求，Step2的主流激光雷達(dá)性能不足，在遠(yuǎn)端300m/350m距離10%反射率高精度測(cè)距的時(shí)效性出現(xiàn)不足，這一步Step3，其代表事件是以5/7節(jié)高功率EEL、40%起步高性能版本SiPM及陣列，高時(shí)間分辨SiPM-ASIC， 50%PDE的SPAD-SOC等的出現(xiàn)為代表，進(jìn)一步在各個(gè)方向上升級(jí)參數(shù)，這一步出現(xiàn)在2027年Q2。未來(lái)(經(jīng)過(guò)2025和2026的價(jià)格血戰(zhàn)后)車載市場(chǎng)在激光雷達(dá)的選擇上，車企品牌溢價(jià)能力強(qiáng)，視覺(jué)方案足夠突出的那一撥，以低成本Step1階段雷達(dá)的量產(chǎn)化為主。而做特種功能強(qiáng)化、品牌向上、基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)做安全駕駛決策的會(huì)導(dǎo)入Step3的高性能版本激光雷達(dá)，這一階段的高階激光雷達(dá)的成本不再會(huì)是150美金這么局促，≥500美金以上的真性能雷達(dá)得到用戶認(rèn)可的時(shí)代也終將到來(lái)。

  激光雷達(dá)的未來(lái)路徑和適配的SiPM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

  針對(duì)上述的節(jié)奏預(yù)判，濱松公司也適應(yīng)性的配置了不同階段的產(chǎn)品，如下圖所示：

  其中針對(duì)SiPM的部分，目前濱松產(chǎn)品的配置序列可以用一張圖概述。

  我們期待，基于上述討論的2種形態(tài)，從兜里面拿出最合適的產(chǎn)品，提供給客戶做產(chǎn)品區(qū)分和功能差異化。來(lái)適配不同級(jí)別的車型和品類。

  *對(duì)追求256線以上激光雷達(dá)以上設(shè)計(jì)和定義，考慮到成本和外形高度的限制，更多的使用SPAD-SOC的模式，通過(guò)數(shù)字的方式實(shí)現(xiàn)。由于本篇聚焦在基于SiPM的激光雷達(dá)的技術(shù)方案，故不做討論。當(dāng)下的價(jià)格戰(zhàn)是生存權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)，快速培養(yǎng)具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的品牌和企業(yè)，當(dāng)智駕功能體驗(yàn)真的出現(xiàn)差異化，真的成為安全剛需和增值判斷的時(shí)候，無(wú)休止的降本戰(zhàn)也會(huì)隨著技術(shù)向上而改變，期待那一天早日到來(lái)!!!

  最后，我們?yōu)榇蠹覝?zhǔn)備了一個(gè)引人深思的福利話題，盡管它與本文SiPM的主題不直接相關(guān)。

  俗語(yǔ)云：“不謀全局者，不足謀一域?！? 未來(lái)2年是中國(guó)汽車工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)白熱化的階段，每個(gè)層級(jí)的要素都影響著競(jìng)爭(zhēng)格局。不做定位者，難以出精品，如何在大浪淘沙的環(huán)境下，獲得本公司企業(yè)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)和價(jià)值錨點(diǎn)，是我們一直要思考的問(wèn)題，和既得規(guī)模者比規(guī)模，和既得AI+視覺(jué)者比數(shù)據(jù)和算力，和品牌信仰的比品牌等都需要巨大的投入。那么什么是中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)的大格局，大格局下我們每一個(gè)層級(jí)的企業(yè)怎么看自己的護(hù)城河，我放一張圖在下面，供大家思考和共勉，圖例不做過(guò)多解釋，老規(guī)矩看圖說(shuō)話，自己腦補(bǔ)。