ADAS模块及其半导体工艺技术发展解读

如Yole的分析师所说，进入新十年，“ADAS意味着正在帮助攀登2014年SAE定义的自动驾驶阶梯，并赢得了“L2”、“L2+”和现在的“L2++”的华丽表演。但就自动驾驶而言，现实也许还不是一回事。”虽然如此，整个行业也在这一过程中为全自动车辆（AV）实现最高水平的自动化积累着更多的经验。

为了提高汽车的安全性，高级驾驶员辅助系统（ADAS）已经发展了十多年。将一组传感器（主要是雷达和摄像头）与强大的电子控制单元相结合，这项技术在过去十年中取得了很大突破。

美国《消费者报告》的研究表明，有57%的受访者表示，其汽车中至少有一项ADAS功能，这使他们没有发生车祸。漫漫车流当中，驾驶者少不了会低头看手机，抬头一看却发现前车踩了刹车。有了采用雷达和摄像头等关键传感器和部件的ADAS，就可以避免这种情况发生，保证汽车的安全功能。

学术研究也证明，自动紧急制动（AEB）能够将追尾事故减少40%，并能将相关死亡人数减少15%。高科技为“零愿景”（无事故驾驶）理念在全球传播做出了贡献。

ADAS功能渐成车辆标配

现在，ADAS功能在许多汽车上都已成为标配。美国国家安全委员会、J.D Power、AAA和消费者报告共同为这些ADAS功能命名。ADAS术语很多，以美国2020款丰田不同车型ADAS功能为例，就有：FCW（前方碰撞预警）、CABE（城市自动紧急制动）/HABE（高速公路自动紧急制动）、PED.AEB（行人自动紧急制动）、LDW（车道偏离警告）、LKA（车道保持辅助）、BSW（盲点警告）、RCTW（后方交叉路口警告）等。

2020款丰田ADAS功能

其中一些功能是监管机构强制要求的，而另一些功能则有助于汽车制造商提高汽车安全等级；不同地区监管机构对ADAS功能的强制要求也不一样。

不同地区监管机构的强制ADAS要求

ADAS对半导体要求越来越高

围绕着跨越2025-2026的车型，领先主机厂正在采用下一代架构。这意味着要明确这些车型的长相、内部结构、智能及其与未来发展方向的交汇点。

西门子数字工业软件公司负责自动驾驶和ADAS高级主管David Fritz说：“主机厂已经顿悟，把精力花在对整个系统建模上会更有意义，这样就可以知道，当把所有部分放在一起时，将真正解决这个大而复杂的问题。它将汽车行业推向了用半导体制造智能手机、数字电视一样的领域，即先了解应用，然后去构建——而不是先构建，并相信它们都会组合在一起。”

汽车的功能越来越多，支持系统的芯片本身也变得越来越复杂。例如ADAS已不再是单独的域控制器，许多之前分开的功能已被集成在一起。Synopsys汽车IP部门经理Ron Digiusepe说：“当行业继续从分布式架构整合到多SoC复杂功能时，控制器必须在一个集中的模块上执行多个ADAS功能，所以需要多核处理器。它还必须支持AEB或LKA等ADAS视觉应用。AEB将利用激光雷达和雷达等多种类型传感器和多种算法，如人工智能（AI）、基于视觉的算法。这就需要更复杂的处理，因此，这些ADAS域控制器中会用到16nm或14nm finFET工艺芯片，而且还在向7nm甚至5nm finFET工艺推进，以放入针对多个应用的多处理器核，比如8到12个Arm 64位高端核，还有AI/视觉加速器、DSP加速器。”

从ADAS到自动驾驶汽车的经典五域架构

Arm最近发表的一份报告强调了向异构计算的迁移。车载ADAS等系统正变得越来越复杂和相互关联。Arm表示，需求的多样性既需要一种整体的电子设计方法，也需要更加异构的计算架构。

做好ADAS是当务之急

毋庸置疑，自动驾驶汽车的开发将继续，但ADAS的部署将成为2021年的重点。

汽车导入ADAS功能后，确实减少了事故，挽救了生命。今天，ADAS的路还远没走完。ADAS采用毫米波雷达、激光雷达、单/双目摄像头等传感器对数据进行决策控制，算法的局限决定其用户体验与人类驾驶仍存在一定差距，很多ADAS功能只能在特定场景下使用。

就说车道保持和自适应巡航功能吧，由于系统对车辆在车道中位置和前车距离的刻意控制，导致车辆对方向和速度的控制非常生硬。另外，ADAS无法保证感知所有场景，也不保证100%准确预警，更不保证对任何危险情况主动采取措施，且不承担任何事故责任。所以，在目前情况下，使用ADAS切不可掉以轻心，驾驶者始终要对自己的驾驶行为负责。

再说用户体验，大多数车上的ADAS并没有达到消费者爱用的程度。对用户来说，ADAS也过于难懂，专业词汇多得让人一头雾水。因此，当务之急是半导体厂商、Tier 1和主机厂要认真为用户科普一下ADAS细分功能，特别是让他们能够理解和体验，否则ADAS的推广和普及就很难实现。因为一直标榜客户至上的主机厂也明白，应该提供客户想要并愿意为其付费的功能。

人工智能正在赋能ADAS，包括自我诊断和自我修复车辆，这将大大减少故障次数。在学习驾驶模式下，新驾驶者被摄像头、雷达和激光雷达包围，可有效避免发生事故。这些系统将保证司机和乘客安全、知情、娱乐和出行效率。语音和手势用户界面将直观理解命令；增强现实有助于导航，提供兴趣点或安全问题警报，利用虚拟现实（VR）投影发现支柱（pillar）盲点背后的东西。由于所有这些AI技术都还处于起步阶段，硬件系统将需要随着系统的改进而调整，并通过OTA更新最大限度地延长系统的寿命。

现在ADAS技术已经进入很多车型，尽管有些不叫ADAS。下一步是如何通过传感器融合使其功能。现在的摄像头越来越好，3D摄像头正在部署，它距离激光雷达只有半步之遥，而成本大概只是后者的1/100。当然，过去几年，激光雷达的成本也在大幅下降，初创企业正在这一领域扮演主要角色。

ADAS及其半导体工艺

先看前向安全摄像头，根据所需功能，摄像头有多种不同类型，以镜头数量分为单目、双目和三目；以距离远近分为长、中、近程摄像头。三目或多目摄像头是一种立体视觉，它基于从相邻不同视角获取同一环境的多幅独立图像来估计距离，即视觉信息的三角测量。然后使用算法处理器对现实环境进行密集的3D数字表示。

在近程激光雷达中，如大陆的多功能摄像头MFL4x0，将红外近程激光雷达（光探测和测距）传感器和CMOS摄像头集成在一个紧凑的单元中，即使是小型汽车也可以安装在镜座中。其主要功能是以非常高的可靠性对车辆前方的物体进行分类，并检测即将发生的碰撞；同时具有驾驶员辅助功能（如车道偏离警告、交通标志识别和智能前照灯控制）。

带激光雷达的多功能摄像头

采埃孚ZF TriCam三目摄像头是集成了“三只眼睛”的模块，具有不同视角，从车辆前面和旁边的不同距离传递重要信息，确保各种驾驶情况下的不同视角。

摄像头对于目标检测是必不可少的。它利用人工智能探测路边的行人或垃圾桶等物体，为车辆提供必要的信息。此外，摄像头最大的优点是可以精确地测量角度。这使车辆能够尽早识别接近的车辆是否会转向。如果城市交通需要大视角来记录行人和交通情况，那么在高速公路上需要300米的长距离和窄视角。

“三只眼”摄像头模块

宝马X5 ADAS系统所使用的MobileEyeQ4三目摄像头集成在前挡风玻璃内侧的后视镜模块内部。它能够产生3D感知，从而提供强大的L2+驾驶辅助功能。EyeQ4图像处理芯片（目前是28nm FinFET工艺）融合处理三个摄像头的图像信号，并提供各种提升驾驶舒适性的驾驶辅助功能。EyeQ5将会采用7nm FinFET或10nm工艺。

宝马X5已搭载3目摄像头

以ZF S-Cam 3单目安全摄像头为例，可以看到其内部有两个主要组件，一个是搭载MobileEye EyeQ3的处理器板，另一个是搭载安森美半导体CMOS图像传感器（CIS）的板子。

单目摄像头拆解

另一种架构是在车辆周围使用多个摄像头，将摄像头接入中央接线盒。在特斯拉Model 3中，车的周围有8个摄像头，这些摄像头的数据被送入位于仪表板下的中央ADAS控制模块。

Model 3的摄像头和ADAS控制板位置

经过多年的发展，特斯拉ADAS控制板（即全自动驾驶（FSD）计算机）HW3.0使用了特斯拉自研设计、三星14nm制造的2个SoC。这块板上有很多半导体器件。据IHS的一份报告显示，HW2.5的半导体含量约为520美元。

据报道，HW4.0芯片由特斯拉和博通共同开发，将采用台积电7nm工艺制造。预计该芯片2021年第四季度开始量产，首批搭载该芯片的车辆最早2022年第一季度开始交付。HW4.0芯片代工换成了台积电，主要原因是其7nm工艺能够在更低的电源电压（低于500mV）下工作，这将实现更低的功耗，其性能预计将是HW3.0的3倍。

特斯拉HW的变迁

摄像头系统的另一个关键部件是CMOS图像传感器。大多数汽车摄像头模块都使用安森美半导体的图像传感器。2014年，安森美半导体收购了在汽车行业占据强势地位的Aptina，在汽车CIS领域独树一帜。

大陆摄像头模组，均采用安森美传感器

另一个有价值的ADAS功能是盲点监测。汽车后保险杠上的雷达模块可以实现此功能。盲点监测又称并线辅助功能，后保险杠上安装的雷达在车速大于10kM/h时自动开启，向车辆左右3米，后方8米的范围持续发送雷达信号，并分析处理探测到的信号，排除固定物体和较远距离的物体，如果探测区域内有车辆靠近，后视镜上的黄色灯带就会闪烁予以提示。

盲点监测雷达

车的前面还有一个远程雷达模块，支持自适应巡航控制和自动紧急制动。它可能安装在汽车的前格栅或前保险杠上，如奔驰的毫米波雷达，宝马除了雷达之外还有摄像头，奥迪A7更是搭载了一个毫米波雷达和一个激光雷达。

奔驰和宝马的前向安全监测

大陆的长距离毫米波雷达模块也有两块板：一块是处理器板，另一块是有雷达芯片组和天线的板子，均搭载NXP的芯片（分别为MCU和收发器）。

毫米波雷达模块拆解

总之，ADAS的主要功能仅由车内的两个系统实现：

摄像头系统：CMOS图像传感器获取图像，由处理器处理数据。处理器采用倒装芯片BGA（FCBGA）封装。

雷达系统：车内通常有三个雷达模块。两个在后保险杠上，一个在前格栅。每个模块都有收发雷达信号的收发器和处理雷达信号的处理器。雷达收发器采用LDFO封装，也有的采用倒装芯片CSP（FCCSP）封装。

直到几年前，汽车中的大多数半导体元件都使用键合焊线工艺封装。虽然键合焊线仍然是主流汽车芯片封装，但ADAS模块越来越多地使用了先进封装，如倒装芯片FCBGA、低密度扇出（LDFO）和倒装芯片FCCSP。

主要ADAS组件封装形式

目前，不论是自动驾驶（ADS），还是ADAS，车辆都要在所有条件下执行各种驾驶功能。为了实现这一点，车辆不仅要与内部复杂系统进行通信，还要与外部环境进行更多通信。未来的汽车技术将继续使用越来越多的摄像头、雷达和激光雷达。传感器技术必须更强大，能够处理更复杂的任务。汽车系统组件应提供更高的性能，以便以更高的速度处理更多的数据，并将延迟和功耗降至最低。因此，更精细的纳米工艺就成为了半导体厂商的不断追求。根据汽车各系统的功能不同，使用的工艺也不一样。

不同车载功能采用的工艺技术

值得一提的是，尽管芯片制造商已经使出了浑身解数来跟上摩尔定律的步伐，但进展越来越难，采用先进IC封装技术已成为一种补救办法，有助于在减小整体封装尺寸的同时实现芯片的可扩展性、功能密度和异构集成。当然，ADAS等汽车应用也会从中受益。