数字化，高性能激光雷达争夺战的核武器
一颗小芯片，决定了激光雷达行业的未来。
作者 | Juice
编辑 | 志豪
最近一段时间，辅助驾驶的安全性已经成为汽车行业共同探讨的话题了。
车企也纷纷在汽车的安全配置上增加了投入，由于激光雷达对未知障碍物的检测更加准确，激光雷达几乎成为了固定配置。
为了满足车企对于安全性的要求，高性能的激光雷达就成为了车企追逐的一个目标，华为已经率先推出了192线激光雷达。
而其他的激光雷达供应商也开始推出更高性能的激光雷达。
今年的上海车展期间，国内激光雷达巨头速腾聚创在上汽大众展台上实机演示1080线的超长距数字化激光雷达EM4，这是业内首款千线车规级激光雷达。此外，速腾聚创还在4月21日发布了192线的车载激光雷达EMX，并为行业提供灵活可定制方案。
▲上海车展上汽大众展台展出的千线激光雷达速腾聚创EM4
整个汽车行业对于高性能激光雷达的需求正在增加。
那么，激光雷达如何才能实现性能的突破？激光雷达未来的上限在哪里？
01.
只有芯片化
高性能激光雷达才能加速落地
作为辅助驾驶系统的重要传感器之一，辅助驾驶行业的变化也影响到了激光雷达行业的变化。
从工信部发文加强辅助驾驶行业规范之后，安全性就成为车企在辅助驾驶上考虑的重中之重。为了让车辆对于道路环境的监测更加准确，高性能的激光雷达成为必须品。
此前行业内旗舰车型主流的激光雷达配置为120多线，华为率先拿出了192线激光雷达，目前鸿蒙系新车大多都已经采用了这颗激光雷达。
▲华为192线激光雷达
与此同时，华为也首个喊出了要在下半年量产高速L3的口号。
无论是基于辅助驾驶安全性的考虑还是基于追求更高阶自动驾驶的考虑，车企也都在市场上寻找更高性能的激光雷达。
如何打造更高性能的激光雷达也成为了激光雷达企业要思考的关键问题？
从目前的行业趋势来看，结果已经很清晰了，芯片化几乎是唯一解。这并不是乱下结论，而是从激光雷达的结构分析得到的答案。
激光雷达的核心零部件主要包括激光器和接收器两大核心元件，激光雷达的基本逻辑就是前者发出激光对障碍物进行扫描并反射，后者收集反射信息，形成点云。
激光雷达的芯片化，主要体现在接收器上。
当前激光雷达所采用的技术路线主要是SiPM架构，需要并联多个单光子感光单元的SiPM，通过模拟的方式输出波形，然后在波形上采样获得数字信号。
SiPM架构的光电转换是“光转模”，先输出模拟信号并处理模拟信号，所以称为“模拟激光雷达”。整个过程需要SiPM器件、前端放大器、数模转换器、数字信号处理器四类芯片，激光雷达线数（通道数）与SiPM器件数量绑定，线数越大SiPM数量越大。
▲SiPM多器件堆叠
由于结构复杂，想要做出跟高线数高性能的激光雷达产品，其体积和功耗都会进一步增加，成本也会被进一步抬升。这些都限制了SiPM架构的上限。
相比之下，SPAD-SoC架构则完全不同。
每个SPAD-SoC中都有数百到数千的线数（通道数），每个通道接收到光后直接产生数字信号。由于节省掉了大量的信号转换过程，SPAD接收器仅用很低的算力处理器就能生出优质点云。
▲基于SPAD-SoC的高线数激光雷达点云
简单来说，SPAD-SoC是“光转数”，只需要一颗芯片，是“数字激光雷达”。
SPAD-SoC的芯片化设计，可以让激光雷达的结构更加精简、集成度更高、性能更加优越、体积更小、功耗更低，并且由于核心架构都收敛到数字芯片中，产品设计灵活，可快速定制开发新产品。
▲SPAD-SoC架构渲染图
这样带来的好处也非常明显，一是可以在一个较小体积内做出性能更强的激光雷达，二是由于体积可控，激光雷达产品也可以更好的进入到人形机器人、割草机器人等产品上，未来甚至还可以进入到更多的场景中，大大拓宽了激光雷达的市场边界。
当激光雷达芯片化之后，也能够在更多方面满足车企的需求，一方面是芯片化后，激光雷达的体积会缩小，这让车企在布置激光雷达的时候有了更多选择，在设计上也可以有更多思路。
另一方面，一部分车企也在探索自研激光雷达，车企也可以直接购买SPAD-SoC进行开发，尝试完成激光雷达自研的目标。
因此，无论从性能表现上来看，还是灵活性上来看，SPAD-SoC都是更适合激光雷达行业未来发展的技术路径。
02.
芯片化已成行业大趋势
先发者更有优势
说了这么多，你可能会问，SPAD-SoC固然有优势，但是行业多少玩家在布局？会不会现在还是期货。
事实上，SPAD-SoC已经成为激光雷达行业的共识了。
据了解，华为此前推出的192线激光雷达就是采用了SPAD-SoC技术。
速腾聚创作为国内激光雷达领域的巨头玩家，也布局了SPAD-SoC，并且已经成功跑通了量产。从2018年就开始思考激光雷达的芯片化研究了，2020年正式开始SPAD-SoC产品的开发。
▲速腾聚创激光雷达产品
目前速腾聚创已经手握159项相关专利，组建了一支专业的芯片团队，已经在2024年实现了自研SPAD-SoC的量产。
▲速腾聚创自研的第一代SPAD-SoC芯片
此外，国内一些第三方供应商如灵明光子和阜时科技都在进行SPAD-SoC芯片的开发，并且有不错的效果表现。
国内某头部激光雷达厂商的下一代补盲产品就计划采用灵明光子的SPAD-SoC芯片。
国外厂商中，也有索尼这样的老牌玩家正在布局。
从海内外企业的布局来看，几乎都默认了SPAD-SoC芯片是未来的主要方向。
这一行业趋势像极了相机行业。
此前，相机行业主要采用了CCD芯片，这一芯片功耗高、读取速度慢，且制造成本昂贵。CCD芯片的一些短板，制约了相机产品的性能上限。
随后，相机行业出现了CMOS芯片。当光线照射到CMOS芯片上的感光单元时，光子与半导体材料相互作用，最终转化成数字信号，整个过程非常快速，实现了光转数，这一特性和SPAD-SoC非常相似。
并且由于CMOS芯片的功耗低、集成度高的优点，深刻影响了相机行业的发展。
当年索尼也凭借着CMOS芯片上的优势，成为相机行业不可忽视的玩家。
以此类推，SPAD-SoC也有着改变激光雷达行业未来的能力，谁先拿出可量产的SPAD-SoC芯片，谁就将在高性能激光雷达的竞争中拔得头筹。
03.
SPAD-SoC上限更高
或助力完全自动驾驶落地
既然整个行业都在布局SPAD-SoC芯片，那这一产品的上限究竟在哪里呢？
回答这个问题之前，我们还是用相机行业为例。
相机行业在从CCD转变到CMOS芯片之后，随着芯片尺寸的增加，单个像素面积也更大，进光量更多，使得照片更加明亮，噪点更少，成像的像素也越来越高。
目前，市面上主流相机均采用了CMOS芯片，实现了整个产业的升级。
SPAD-SoC技术的量产，也让激光雷达产品进入到了芯片化的新时代，激光雷达的像素上限更高。速腾聚创推出的1080线数激光雷达就是一个很好的例子。
▲1080线激光雷达实测点云
但1080线数显然并不是SPAD-SoC技术的上限，速腾聚创也在发布会上表明支持定制“2160线”，参考相机上亿像素的CMOS芯片，理论上，SPAD-SoC可以将激光雷达的线数/像素提升到无限高。
当激光雷达的像素可以和摄像头持平的时候，激光雷达的主动探测三维点云信息和摄像头拍摄的画面就可以实现点对点的融合，即每一个画面都将会有色彩和三维信息，这将完全超越人类眼睛的感知能力。
对于自动驾驶来说，高清无损的真实世界三维彩色信息数据，不仅是驱动世界模型进化的最佳养分，更将成为自动驾驶通过物理AI发展持续实现性能和安全性突破的关键。