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麥姆斯咨詢: 大眾對OPA激光雷達誤解太多,專訪國科光芯進行釋疑!

微訪談:國科光芯董事長劉敬偉


采訪背景國科光芯(海寧)科技股份有限公司(以下簡稱“國科光芯)”作為浙江省海寧經濟開發區泛半導體產業重點引進的企業,于2019年4月4日在海寧成立。公司愿景是基于核心硅光芯片,開發低成本、高可靠、高性能的固態相干&相控陣(OPA)激光雷達,建成國內頂級水平的硅光芯片和器件研發及設計平臺,成為世界領先的激光雷達企業,并逐漸成為硅光領域的世界領先企業。



為適應車載OPA激光雷達應用和量產的需求,國科光芯前身(北京中科天芯、廈門和奕華)經過兩年時間的開發,搭建了全新的硅基材料體系,并與世界領先的科技企業進行流片及知識產權(IP)合作,解決了此前車載OPA激光雷達中承載光功率不足、旁瓣干擾等若干國際性技術難題,完成了可大規模量產的OPA激光雷達掃描芯片,為真正車載OPA激光雷達的應用掃清了關鍵性技術障礙。

在麥姆斯咨詢與中國光博會CIOE剛結束的"2020智能駕駛激光雷達行業調查"中發現,受調查者對OPA激光雷達技術路線的信心正在下降。這其中,與OPA掃描芯片遲遲未用于車載激光雷達有一定的關系;也有很多對OPA技術的理解誤區。今年9月10日,國科光芯董事長劉敬偉博士將參加
『第二十九屆“微言大義”研討會:激光雷達技術與應用』并發表題為《重新認識硅基相控陣激光雷達》的演講。他對激光雷達產業和OPA技術路線有哪些獨特的見解?麥姆斯咨詢特意提前采訪了劉敬偉博士!


國科光芯董事長劉敬偉


麥姆斯咨詢:劉總,您好,感謝您接受麥姆斯咨詢的采訪!首先請您介紹自己的從業經歷以及成立國科光芯的初衷!謝謝!

劉敬偉:我的經歷很簡單。2005年從中科院半導體所拿到博士學位,2005年到2014年在京東方集團工作,然后就是自己創業至今。在自己求學和工作的過程中,很感激帶領我的導師和領導,沒有他們就沒有現在的我。

成立國科光芯的初衷就是想做一家專門從事硅光技術的公司。硅光技術是我博士期間的研究內容,我們研究組也是中國最早從事這項技術的團隊之一,至今已有超過20年的經驗。這項技術有非常廣闊的應用前景,未來可以在多個領域提供很多革命性的創新應用,比如激光雷達(LiDAR)。但硅光技術發展有很多問題需要解決。有應用前景,有需求,有痛點,是一個很好的創業機會。

麥姆斯咨詢:接下來,請您介紹國科光芯的團隊情況吧。

劉敬偉:目前國科光芯的團隊約100人。團隊主要來自這么幾部分:一部分是我原來的校友和同事;一部分是我們按業務需要聘請的各類優秀人才;此外今年我們招聘了一批應屆生。由此形成了公司比較合理的團隊梯隊。

麥姆斯咨詢:目前,國科光芯主要布局了哪些產品?面向哪些應用?

劉敬偉:結合這些年的創業經歷,我們對產品方向的選擇總結有三條:(1)市場要足夠大且規模快速擴大;(2)我們能提供足夠的差異化競爭優勢;(3)在我們能力范圍內是可以實現的產品。由此我們選擇近期從消費類應用切入,遠期重點是自動駕駛應用。其它市場,比如商業類和工業類應用,我們會根據行業的變化和自身的發展來考慮,但三條原則不會變。

麥姆斯咨詢:國科光芯的團隊是在什么時候選擇進入激光雷達行業?選擇OPA技術路線是基于哪些方面深思熟慮的結果?

劉敬偉:在2017年下半年,我們開始介入激光雷達業務,最初的目標是依靠我們在硅光領域二十多年的積累,做一款用于自動駕駛激光雷達的相控陣(OPA)掃描芯片。那時激光雷達才開始嶄露頭角,在國內關于激光雷達應用的開發也剛剛起步。我們集中學習了行業里激光雷達的相關知識,也參考學習了國際上公開的OPA技術資料,同時中間穿插了很多實驗性驗證,整個前期的調研過程持續了大半年時間,才開始真正介入實質性的相關產品開發階段。但這對我們非常重要,通過前期大量的調研,并結合我們在硅基光電子領域多年的經驗,由此總結并進一步明確了我們自己的戰略目標:(1)激光雷達必須芯片化;(2)OPA是個很美妙的方案,雖然技術難度很大,但是值得我們堅持做下去。

激光雷達必須芯片化,是行業里一直都在呼吁固態化最好的實現方式。但固態化是一個結果,如何通過芯片化來實現,是我們要重點思考的。近年來行業里對此的討論很多,其優點是顯而易見的,特別是針對自動駕駛領域,比如無運動機械機構帶來的高可靠性,滿足車規要求、體積小、易于集成等。但在我們的理解中,芯片化除此之外更重要的一點是可以真正實現低成本優勢。2017年我們剛開始做激光雷達的時候,采購了一臺國外公司的工業級16線機械式激光雷達樣品做分析,當時的價格大約8萬塊人民幣,如果要采購64線,差不多要80萬,這樣的價格水平是批量進入最終用戶市場所無法接受的。通過和業內客戶的多次接觸交流,我們認為只有將激光雷達成本降到整車一套小幾千元人民幣級別,才能真正進入市場需求爆發式增長的階段。而要達到這樣的目標,只有芯片化并采用成熟的半導體工藝,最好是成熟的CMOS工藝,才是最有機會達成這個目標的。在我們后續業務的推進中,越來越證明了當時的判斷是正確的。

麥姆斯咨詢:OPA芯片的實現方法有很多:硅波導光調制、空間光調制(spatial light modulator,SLM)、硅基MEMS OPA等。請詳細談談你們選擇的實現方式及其優缺點。

劉敬偉:OPA確實有很多實現方法,大體上可以分為兩類,一類是波導類OPA,比如硅波導OPA和化合物波導OPA等;另一類的空間光調制,比如最早的液晶空間光、化合物單元陣列、還有新興的超材料空間光調制等。每種技術路線都有自己的優缺點,我們選擇硅波導OPA是基于以下原因:(1)可集成化,就是可以把盡可能多的功能集成在一顆芯片里;(2)可利用CMOS工藝,這是目前成本最低、產能最大的半導體工藝。基于以上考慮,我們選擇硅波導OPA路線。選擇這條路線還有個好處,就是可以利用現有很多成熟的光通信技術和工藝,這對落實產業化、保證供應鏈有很大的好處。

但對于激光雷達,還是有一些特別的設計和工藝需要開發,這是我們需要重點解決的問題。

麥姆斯咨詢:國科光芯的硅光OPA激光雷達芯片開發進展如何?

劉敬偉:本來今年我們在年初就要開始進行量產CMOS工藝的導入,但因為疫情推遲到7月份送出第一批在量產CMOS工藝流片的設計,這基本是一顆完整的相控陣激光雷達芯片。順利的話在今年年底可以拿到結果,以后就是根據結果進行產品迭代。

國科光芯2020年4月發布的相控陣激光雷達芯片樣品圖片


麥姆斯咨詢:在普通大眾的認知中,在OPA技術只是激光雷達實現固態快速掃描的一種方式。您是否認可這種看法?有哪些深入見解?

劉敬偉:起初,我們和行業同行一樣,認為OPA技術只是激光雷達實現固態快速掃描的一種方式,這是一個很大的誤區。隨著研究的深入,我們發現OPA的作用遠遠不止掃描元件,這點非常非常重要!

和軍事領域里應用的電磁波相控陣雷達一樣,OPA技術其實可以構建一套相對獨立的雷達系統。當然,OPA首先是一種掃描元件,就是通過電驅動調控(熱光、電光、彈光等相位調制方法)陣列中若干子單元的相位,實現一種無任何機械(含MEMS)元件的光束掃描。這種調控速度可以非常快,比如采用電光調制,可以很輕松達到MHz甚至GHz的點掃描速度,同時功耗很小,單個單元可以達到微瓦級別,這在光通訊領域已經是很成熟的技術了。其次,OPA采用陣列光柵收發結構,本身就是很好的準直光學結構、光學接收結構、窄帶濾波和自對準結構,不僅僅可以省去大量昂貴的光學元件,同時避免了后期生產過程中費時費力費錢的對準工藝(這種工藝的節省在越多線激光雷達產品生產過程中體現越明顯)。第三,利用CMOS工藝和硅光技術,很容易實現探測系統的集成。這種探測系統可以采用通常的飛行時間(ToF)探測原理,也可以采用相干探測原理,比如調頻連續波(FMCW),不僅可以提供單光子探測級別的靈敏度,而且不受環境光或同類激光雷達的干擾,信噪比很好。我們也可以很容易集成混頻器、平衡探測器等關鍵元件。而這些探測機制的實現是在流片過程中同時制備出來,是單片集成,而且工藝已經很成熟。在成熟的CMOS工藝里,成本的主要比重在于芯片的面積,而功能的復雜程度對其影響不大,所以即使集成了如此多的功能,但并不需要額外增加成本。相比較而言,如果采用非芯片化、非集成化的方案,探測系統將會是很昂貴的,比如對于FMCW激光雷達系統來說,獨立混頻器和平衡探測器都是萬元級別的。

此外還有一些重要的功能是目前激光雷達沒有的,未來也很可能集成在硅光OPA中。比如多波段同時掃描,這將有可能將激光雷達的掃描點數推到10M/s以上水平,甚至再高一個數量級都有可能。這里面將應用光通信里的多波段分束/合束技術,這些技術是早已存在且已經在規模化應用了。這完全可能集成在OPA芯片里,并且不增加太多成本。

總體來說,一套包含發射、準直、濾波、接收、對準、耦合、探測等一系列復雜元件的激光雷達系統,可以相對容易地采用一顆集成芯片,用成熟經濟的CMOS工藝集成在一起,在實現低成本的同時獲得很好的性能,這是采用硅光OPA技術做激光雷達的巨大魅力所在。

麥姆斯咨詢:OPA激光雷達真正用于自動駕駛尚需時日。在此之前,專注于OPA技術的企業如何保證“活下去”的財務指標?

劉敬偉:目前,我們除了按計劃推進核心硅光芯片的開發工作外,同時也在生產機械式激光雷達模組產品,主要是針對消費類應用,如家用掃地機。目前已經通過了一些國內外知名客戶的認可,并實現了批量供貨。今年下半年產能基本排滿,明年產銷量能夠再增加幾倍,后續幾年也將繼續保持高增長趨勢。

為什么選擇消費類激光雷達模組產品?這也是我們慎重考慮后的決策!家用掃地機激光雷達的應用從前兩年開始起步,現在發展已經具備了良好的基礎,未來幾年的增長態勢也非常可觀。通過開拓這個領域,可以保證公司在自動駕駛應用市場成熟前的正常經營。更重要的一點還是要回歸到硅光激光雷達芯片本身來考慮,因為硅光OPA激光雷達芯片完全可以降維在非自動駕駛應用領域。芯片行業里很重要的一點是要有大規模的應用才能發揮最大的優勢,只有消費類市場才具備這樣的應用基礎。

以家用掃地機器人市場為例,中國2019年生產和銷售的家用掃地機器人近2000萬臺,而帶激光雷達導航的產品差不多有400~500萬臺,并且比重會迅速增長,這個量足以證明消費類市場是可以支撐芯片開發的。其次,目前最大的激光雷達應用市場其實是以家用掃地機器人為代表的消費類服務型機器人市場,未來是可以和自動駕駛一起成為市場份額最大的兩大應用市場。第三,我們所能提供的芯片,從設計、流片和封裝幾乎是一樣的,也就是說我們所打造的平臺完全可以兼容從消費類、工業類到自動駕駛全系列的應用,那么從已有的大規模應用作為切入點是個現實可行的選擇。最后,通過消費類市場,可以大大增強我們對激光雷達行業的理解,鍛煉隊伍,保證“活下去”的財務指標,并驗證我們戰略正確與否,這些對我們也很重要。目前來看,雖然疫情對我們有不少影響,但總體進展還比較順利。

麥姆斯咨詢:在您看來,OPA技術還可以實現混合式激光雷達。可以談談具體的實現方案嗎?

劉敬偉:OPA技術只能做固態激光雷達,這其實是一種誤解。之前我們有個結論是:“包含發射、準直、濾波、接收、對準、耦合、探測等一系列復雜元件的激光雷達系統,可以很容易采用一顆集成芯片,用成熟便宜的CMOS工藝集成在一起,在實現低成本的同時獲得很好的性能”。這個優勢和是否固態并沒有直接關系,如之前所述全固態只是一個結果。一種二維掃描的激光雷達系統,往往一個維度需要很快的掃描速度,這個速度常常會超出機械或微機械系統(MEMS)的穩定性極限,而OPA技術則很容易實現;而另一個維度是慢速掃描,采用機械或MEMS結構問題不大,成本也不高。在必須要使用360度探測的場景,我們制作一維相控陣芯片,結合機械旋轉部件做成混合式激光雷達,集成化的優勢依然很大,可能也是一個很好的選擇。此外,OPA結合閃光(Flash)技術也能提供一些很好的選擇。

麥姆斯咨詢:OPA激光雷達在選擇激光光源方面是否存在局限?比如,只能搭配1550nm光源……

劉敬偉:事實上,OPA激光雷達的光源選擇是非常廣泛的。這可能也是因為OPA技術源于硅光學技術,硅光學技術之前主要應用于光通信,而光通信常用波長之一是1550nm。其實利用我們的材料體系,完全可以兼容400nm~2000nm的波段,也可以在CMOS工藝里實現流片。選用哪個波段更好,取決于實際應用的需求和供應鏈的成熟度。

麥姆斯咨詢:這兩年,全球激光雷達產業開始降溫,OPA激光雷達的成熟時間點也一推再推。對此您有何感悟?

劉敬偉:現在OPA激光雷達在國外的研發進展很快,希望國內的同行們一起加油。常常有人告訴我們,聽說誰誰也在做OPA技術了,我們會把這當成一個好消息。相對于其它激光雷達技術,OPA技術做的人不是太多而是太少。我們預計在兩年內,國際上OPA激光雷達一定會有快速的發展,落地應用會比我們想象的快得多。這樣高性能、低成本的技術實現了大規模應用,對如今起步時間不長卻已如火如荼的中國激光雷達市場一定會是一個很大的沖擊。之前大家對OPA技術有不少的誤解,但等真正看懂看見后,可能為時已晚。希望行業里能夠未雨綢繆,功成不必在我,望共同致力于中國激光雷達事業的發展壯大!

麥姆斯咨詢:請您暢談國科光芯未來五年的發展目標和規劃,謝謝!

劉敬偉:今后五年我們還是會從應用和技術兩方面著手。應用方面,我們會先聚焦在消費類市場。首先是在已有的基礎上把銷售額和利潤跑出來,能夠形成自我造血能力,保證公司能活下去,能活得好;然后是在確保自動駕駛用激光雷達的硅光芯片按計劃推進的前提下,讓我們的硅光芯片技術在消費類市場應用里先落地并產品化,這點對于CMOS工藝的打通是非常重要的。技術層面,還是會持續進行自動駕駛類芯片的開發,用五年的時間完成自動駕駛用OPA芯片的量產導入、車規認證等工作。要完成這兩方面的工作還有很多困難要克服,不容易。

麥姆斯咨詢:今年9月10日,國科光芯將參加『第二十九屆“微言大義”研討會:激光雷達技術與應用』并發表演講。在這場研討會上,您將與觀眾分享哪些方面的內容呢?

劉敬偉:很高興可以參與“微言大義”研討會。屆時我將和大家分享OPA技術的發展歷程和現狀,解釋大家對OPA技術的一些理解誤區,希望行業能重新認識OPA技術。


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