濱松視角：解析SiPM在自動駕駛激光雷達(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)用場景上優(yōu)劣勢，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方式的關(guān)鍵區(qū)別在于，是依靠時間相關(guān)矯正電路去區(qū)分信號和噪聲，還是依靠可配置多路比較器的閾值篩選信號和噪聲;

  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距離信息獲取過程的定義權(quán)(SiPM)”。

  針對那些青睞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)如何在實際應(yīng)用中煥發(fā)價值。

  本文大體圍繞以下五個方向展開論述：

  一、濱松開發(fā)針對車載產(chǎn)品堅守的基本原則

  二、開發(fā)車載激光雷達(dá)對SiPM的參數(shù)需求

  三、SiPM的多元影響：正面價值與潛在風(fēng)險

  四、激光雷達(dá)價格和價值在時間維度的曲線預(yù)測

  五、激光雷達(dá)的未來路徑和適配的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場白：

  “我認(rèn)為中國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)化帶來的唯一的競爭只剩下一個價格戰(zhàn)，所以我想中國的企業(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)造價值，為用戶創(chuàng)造價值，為社會創(chuàng)造價值，如果說我們這個1塊買，8毛錢賣，這樣的事兒在別的國家覺得是很蠢的事兒，但在中國似乎還比較普遍，其背后可能更多的指望于資本市場帶來更大的回報，來彌補經(jīng)營上的不足。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，為客戶實現(xiàn)價值創(chuàng)造……?！?

  ——引用自11月12日，奇瑞控股集團有限公司董事長尹同躍先生在第三十一屆中國汽車工程學(xué)會年會上的發(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)價值是一種戰(zhàn)術(shù)，但是長期寄希望于資本游戲就很難說是長久之計。做出特色和不同，讓客戶的產(chǎn)品有區(qū)別于其他競品的價值呈現(xiàn)，是我們產(chǎn)業(yè)類公司時刻要思考的話題。探討車載激光雷達(dá)，其中核心的部件無疑是，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)動部件。SiPM(硅光電倍增管)參數(shù)的優(yōu)劣對激光雷達(dá)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的具體影響，長期以來一直是眾多主機廠技術(shù)DRE及負(fù)責(zé)人深感困惑的問題。近期，筆者經(jīng)常接到來自主機廠朋友的詢問，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)差異如何在實際應(yīng)用中影響激光雷達(dá)的表現(xiàn)。同時讓我們欣慰的是，主機廠不滿足激光雷達(dá)廠家對他們的介紹宣傳，需要自己掌握并建立一套理解核心器件的底層知識儲備，可見認(rèn)真做智駕，做安全駕駛的主機廠對激光雷達(dá)這個關(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現(xiàn)方式對SiPM各個參數(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，僅僅通過更換不同參數(shù)特征的SiPM能帶來的哪些參數(shù)變化的角度來做一個分析。

  濱松開發(fā)針對車載產(chǎn)品堅守的基本原則

  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景下的Corner Case下的安全隱患，是每一個車企、方案提供商、激光雷達(dá)、器件廠家這個鏈條上從業(yè)者對消費者安全保障的最大承諾，也是做長久品牌的關(guān)鍵出發(fā)點。

  2、心懷敬畏，不隨意承諾或夸大承諾，無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)?？刂撇少弳蝺r，同時做到，量產(chǎn)后不會隨著規(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)盤一下合作歷程，是否在使用濱松的器件過程中，可以感受到我們的行為舉止對如上原則的詮釋和踐行。

  開發(fā)車載激光雷達(dá)對SiPM的參數(shù)需求

  為了回答此問題，我們不得不回到場景中看一下。

  應(yīng)用載體：移動中的汽車;

  時間約束：Day-Nigh 24小時，8年時間;

  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;

  高頻場景：高速/快速AEB觸發(fā)(自動剎停)、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時間浪費和重復(fù)工作的應(yīng)用痛點。目前的場景訴求分兩種性質(zhì)，其一是高速移動下提高安全下限，另外則是低速場景下減少時間和財務(wù)的損失;

  解決問題：安全強化，減少損失;智能化體驗，釋放時間。

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

  那么基于上述環(huán)境條件，我們進行約束穿透分析：

  通過上述的分析，我們基本上對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：正面價值與潛在風(fēng)險

  我們進一步分析這六個參數(shù)對不同的SiPM用戶的正面意義和潛在風(fēng)險。

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

  但是當(dāng)噪聲隨著溫度提高而倍增，超過了一定的閾值，暗計數(shù)會被記錄為光信號，比如1.5 pe高度，進而導(dǎo)致錯誤探測。舉個例子，從15°到105°，暗計數(shù)會增加1000倍，(每30度提高，暗計數(shù)提高10倍)。因此，如果在15°C時暗計數(shù)為100 kHz，那么在105°C時暗計數(shù)就會變成100 MHz。在正常溫度范圍內(nèi)沒有問題，但在高溫范圍內(nèi)誤報的概率會增加?？紤]到最高使用溫度為105°C，在正常溫度下暗計數(shù)約為100 kHz是理想的。如果暗計數(shù)超過這個值，在高溫范圍內(nèi)誤報的概率就會增加，從而降低準(zhǔn)確性。如下圖中下方高溫情況示意圖。

  第二個是FWHM，首先要說明是Signal FWHM和后面的Amplifier的時間特性有強相關(guān)性，越快的信號FWHM越能方便系統(tǒng)獲得真實的信號而降低錯誤率。有時候由于放大器的參數(shù)太low，導(dǎo)致細(xì)微的差異在過程中被忽略掉。我們針對目前市面上外購的主流15um的SiPM進行的同等情況下的對比，得到如下的結(jié)果：看圖說話清晰明了。無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)的提高會影響SiPM方案的設(shè)計和批量落地。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的影響就會逐步的體現(xiàn)出來。當(dāng)成本B開始穩(wěn)定的時候，成本C的重要程度就逐步凸顯出來。

  當(dāng)然，這里所有的產(chǎn)品都不是一上來都是完美的，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，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，市場用戶價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)公司對我們的器件公司的輸入，也會隨之而來。

  激光雷達(dá)價格和價值在時間維度的曲線預(yù)測濱松的SiPM產(chǎn)品開發(fā)也都是跟隨著市場需求逐年進步，在合適的時間開發(fā)出最合適市場需求的產(chǎn)品是每個一個從業(yè)者的最佳實踐，有時候產(chǎn)品過早的開發(fā)出來，市場需求沒到位，容易導(dǎo)致項目的虎頭蛇尾。同樣，當(dāng)市場需求出來的時候沒開發(fā)出合適的產(chǎn)品也是一個商業(yè)錯配，掌握市場需求趨勢，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)價格和價值曲線(僅提供一種視角)供大家參考。

  整體而言，當(dāng)前激光雷達(dá)功能處于價格低于價值的階段性區(qū)間，車廠到2025年之前的選擇標(biāo)的，一上來就會使成本導(dǎo)向型，成本導(dǎo)向型會倒逼激光雷達(dá)供應(yīng)商通過結(jié)構(gòu)簡化(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^率材料)、加工優(yōu)化(單位時間產(chǎn)出能效)等對策做出調(diào)整。

  2026年之后，當(dāng)智能駕駛配置率上升之后，開啟率一定會逐步提高，然后功能OTA升級隨之而來，同樣的頭頂雷達(dá)的方案，有的做的優(yōu)秀，有的做的不如視覺的差異化會隨著“懂車帝”、“汽車之家”等媒體和第三方評測自媒體會放大，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”“AVP停車體驗”等等。這個階段對價格回歸是可以預(yù)測的。同時海外市場的擴展，由于“卷”度不足的經(jīng)濟社會環(huán)境和對產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)苛的要求認(rèn)證機制和流程，價格之外的性能也被追逐，高性能比的產(chǎn)品會被導(dǎo)入，并進行對激光雷達(dá)價格的回調(diào)。

  結(jié)合上述時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)過波峰波谷之后的洗禮，目前越來越明確的發(fā)展路徑。

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

  另外一個應(yīng)用場景是強化性能方案，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，目前針對車載激光雷達(dá)市場的格局會出現(xiàn)如下的特征：

  1)Step1：低成本方案的激光雷達(dá)會大規(guī)模的以瞭望臺1比1的模式配置到15w起步帶智能駕駛的車型中，這個階段會出現(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SiPM或者小陣列SiPM為主要實現(xiàn)方式。

  2)Step2：隨著L3級別的功能逐步實現(xiàn)和保險兜底的商業(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)，在同等測距能力下實現(xiàn)更好的分辨率能力為一個代表，這一場景會出現(xiàn)在2026年Q2的高端車型，價格普遍在30 w起步。以高端豪華品牌為主。這里有兩個細(xì)分方向，一個是固定測距200 m@10%產(chǎn)品的多線化，另外一個是確定線束的長距化250 m@10%。前者是超500線的激光雷達(dá)，以高度集成的SPAD SOC作為實現(xiàn)基礎(chǔ)，后者是256~360線長距激雷達(dá)，以自研ASIC為技術(shù)準(zhǔn)入門檻+長陣列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%反射率高精度測距的時效性出現(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，高時間分辨SiPM-ASIC， 50%PDE的SPAD-SOC等的出現(xiàn)為代表，進一步在各個方向上升級參數(shù)，這一步出現(xiàn)在2027年Q2。未來(經(jīng)過2025和2026的價格血戰(zhàn)后)車載市場在激光雷達(dá)的選擇上，車企品牌溢價能力強，視覺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)可的時代也終將到來。

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

  針對上述的節(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。來適配不同級別的車型和品類。

  *對追求256線以上激光雷達(dá)以上設(shè)計和定義，考慮到成本和外形高度的限制，更多的使用SPAD-SOC的模式，通過數(shù)字的方式實現(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)下的價格戰(zhàn)是生存權(quán)的競爭，快速培養(yǎng)具備市場競爭力的品牌和企業(yè)，當(dāng)智駕功能體驗真的出現(xiàn)差異化，真的成為安全剛需和增值判斷的時候，無休止的降本戰(zhàn)也會隨著技術(shù)向上而改變，期待那一天早日到來!!!

  最后，我們?yōu)榇蠹覝?zhǔn)備了一個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)。

  俗語云：“不謀全局者，不足謀一域?！? 未來2年是中國汽車工業(yè)的競爭白熱化的階段，每個層級的要素都影響著競爭格局。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)勢和價值錨點，是我們一直要思考的問題，和既得規(guī)模者比規(guī)模，和既得AI+視覺者比數(shù)據(jù)和算力，和品牌信仰的比品牌等都需要巨大的投入。那么什么是中國新能源汽車市場的大格局，大格局下我們每一個層級的企業(yè)怎么看自己的護城河，我放一張圖在下面，供大家思考和共勉，圖例不做過多解釋，老規(guī)矩看圖說話，自己腦補。