芯耀
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“下一款量產(chǎn)激光雷達(dá)，選SiPM方案還是SPAD方案？”
隨著上游的激光雷達(dá)廠商“卷技術(shù)領(lǐng)先性”進(jìn)入了新階段，這個看似簡單的選擇題，牽動著整個產(chǎn)業(yè)鏈的神經(jīng)。當(dāng)下，很多車企的自動駕駛負(fù)責(zé)人、感知負(fù)責(zé)人正為這一問題而陷入猶豫不決的狀態(tài)中。
其實(shí)，這個問題的答案，并不是“非黑即白”的。
最近，在系統(tǒng)性地對SiPM和SPAD做了對比之后，筆者強(qiáng)烈地感受到一點(diǎn)：任何脫離發(fā)展階段、技術(shù)成熟度、應(yīng)用場景 、系統(tǒng)成本來談?wù)摗澳膫€技術(shù)路線更好”的做法，都是在逃避對問題本質(zhì)的思考，這是一種智力上的懶惰。
實(shí)際上，并不存在絕對的“哪個更好”，關(guān)鍵在于：你家公司是預(yù)算充足、對下一款激光雷達(dá)的需求是“300線以上、追求超遠(yuǎn)距探測”，還是在對成本比較敏感、對下一款激光雷的需求是“256線以內(nèi)綜合性能和性價比皆優(yōu)”？
尤其值得一提的是：盡管SPAD方案是300線以上激光雷達(dá)的最佳選擇，但在當(dāng)下，SPAD無論是芯片本身還是應(yīng)用端都不算成熟，需要繼續(xù)迭代調(diào)優(yōu)之后才可以達(dá)到更好效果。
接下來，筆者將用1萬字的篇幅對上述問題做詳細(xì)的分析。
此外，一個公司在某個階段的主打產(chǎn)品上選擇怎樣的技術(shù)路線，這不只是一個關(guān)于“技術(shù)判斷”的問題，而且，還關(guān)乎技術(shù)負(fù)責(zé)人對商業(yè)的認(rèn)知——在文本末尾，筆者將借用自己跟禾賽聯(lián)合創(chuàng)始人兼技術(shù)負(fù)責(zé)人的對話來闡釋這一觀點(diǎn)。
1.SiPM與SPAD的關(guān)聯(lián)及相同點(diǎn)、差異點(diǎn)
1.1?共同基礎(chǔ)：單光子探測能力
SiPM 和 SPAD在底層技術(shù)原理上是一樣的，其最小感光單元完全相同——都是單光子雪崩二極管。可以說，兩者從物理層面、像素層面上是完全相同的東西，連尺寸都可以是一樣的（一個 SiPM 里面包含數(shù)百個 SPAD）。
兩者具有如下幾個方面的共同點(diǎn)——
- 都具備單光子級別探測靈敏度，都可以將單光子信號轉(zhuǎn)換為電信號都可實(shí)現(xiàn)多像素集成，并支持面陣探測兩者最終都可以輸出數(shù)字信號（只是數(shù)字化處理模塊的位置不同而已）都適用于激光雷達(dá)弱信號檢測場景
1.2?SiPM與SPAD的關(guān)聯(lián)性
SiPM由多個SPAD單體及電容電阻并聯(lián)組成，單個SiPM像素通常包含幾百至上千個SPAD。
在SiPM方案中，多個SPAD像素組成一個SiPM測量通道。每個SPAD像素能夠獨(dú)立俘獲光子信號，每個測量通道將多個SPAD像素并聯(lián)，在模擬信號上進(jìn)行相加，形成最終輸出的累加信號輸出。由于SPAD像素單光子增益較高，鏈路信噪比幾乎不受后級讀出電路噪聲影響。
1.3?核心差異：從物理結(jié)構(gòu)到信號鏈
SiPM方案中的SPAD單元在數(shù)量、尺寸及探測能力上跟SPAD方案中的SPAD單元有何區(qū)別？
1.3.1?微單元數(shù)量不同
不同于單個SiPM像素通常包含幾百至上千個SPAD，SPAD陣列通常以固定比例的NxN（3x3等）SPAD單元組成一個像素，故兩者單通道/單像素的SPAD微單元數(shù)量不同——SiPM中的SPAD微單元顯著更多。
1.3.2?感光器件信號輸出的差異
SPAD（單光子雪崩二極管）和SiPM（硅光電倍增管）雖然都基于單光子探測原理，但在信號處理鏈路上存在差異：
SPAD方案：
SiPM方案：
1.3.3?系統(tǒng)架構(gòu)上的差異
在SiPM方案中，感光器件、數(shù)字化處理模塊，是“橫向平鋪”在同一個面上；而在SPAD方案中，感光器件、數(shù)字化處理模塊，在“縱向堆疊”在一個立體的空間中的（3D堆疊）。
在這兩種架構(gòu)中，數(shù)字化處理模塊所處的位置是不同的。
SiPM 方案形態(tài)：數(shù)字化處理塊在感光器件（SiPM）旁的 ASICs 中，如下圖——
SPADs 方案形態(tài)：數(shù)字化處理模塊在感光器件（SPADs）下的 SoC 中，如下圖——
從上面的圖可以看出，SPAD更容易將體積做小——但實(shí)際上，這個優(yōu)勢只有在高性能雷達(dá)上才能發(fā)揮出來（后面會詳述）。
2.理想情況下，SPAD路線相比于SiPM路線的優(yōu)勢
在理想情況下，與傳統(tǒng)的SiPM（硅光電倍增管）方案相比，SPAD將展現(xiàn)出在更小的體積、更高的像素等方面的顯著優(yōu)勢。
3D堆疊架構(gòu)：
- 感光層與處理電路垂直集成大幅減少互連線路對于需要高并行信號處理的場景，可以有效減少器件使用數(shù)量
系統(tǒng)級簡化：
- 減少外圍電路需求降低組裝復(fù)雜度整機(jī)體積可做到傳統(tǒng)方案的1/3
通道密度突破：
- 支持更高像素密度為開發(fā)超高線數(shù)激光雷達(dá)創(chuàng)造條件，例如：在相同體積下實(shí)現(xiàn)300線以上分辨率
3.當(dāng)前的SPAD技術(shù)尚不成熟，其優(yōu)勢尚不能完全發(fā)揮出來，而劣勢則比較明顯
大面陣SPAD既要求分辨率足夠高，又要求探測距離足夠長，還要信噪比較高，這對數(shù)據(jù)采集和處理都提出了很高的要求。
在發(fā)射端元器件及功率既定的情況下，激光雷達(dá)的探測距離主要取決于反射信號的光功率，而反射信號的光功率又跟傳感距離的平方成反比。因此，既要準(zhǔn)確檢測0.5米的障礙物，又要在100米處的時候也要看得很清楚，這是1千倍的差距，而對反射信號的光功率來說，這意味著100萬倍的動態(tài)范圍，其中的難度可想而知。
還有，大面陣SPAD的芯片尺寸本身也帶來了物理層面的挑戰(zhàn)——芯片設(shè)計面對的本質(zhì)上是一個二維的平面的世界，伴隨芯片面積的增加，信號通路的擁擠程度是幾何級數(shù)上升的。而且，面陣芯片中的2D尋址又會將設(shè)計難度推向一個新的高度。
此外，信號通路，供電網(wǎng)絡(luò)、時鐘網(wǎng)絡(luò)、發(fā)熱管理、DFM等等一系列問題，在大面陣SPAD芯片的設(shè)計中都需要擁有豐富實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的資深專家來解決。
客觀地說，上述幾個問題，在技術(shù)原理層面并不存在多大挑戰(zhàn)，真正的挑戰(zhàn)在工程層面。 而一個公司能否突破這些工程難題，最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，他們收到了多少來自真實(shí)實(shí)踐的反饋，知道客戶真正在意的是哪些方面的參數(shù)優(yōu)化——這又取決于他們把多少激光雷達(dá)出貨給了量產(chǎn)車、并且這些車真正在路上跑。
當(dāng)前，能提供可量產(chǎn)的車規(guī)級SPAD芯片的供應(yīng)商只有索尼一家。國內(nèi)做SPAD激光雷達(dá)的主流廠商，選擇的大面陣SPAD芯片以索尼的IMX459為主——畢竟，用一款現(xiàn)成的芯片，開發(fā)時間短、上手門檻低。
下面，我們就以IMX 459為例來說說當(dāng)前的大面陣SPAD在量產(chǎn)應(yīng)用中所面臨的實(shí)際挑戰(zhàn)。
3.1?光子的探測效率低
SiPM和SPAD的工作原理是都在反向偏壓下形成強(qiáng)電場（通常高于擊穿電壓）。當(dāng)光子入射時，產(chǎn)生的電子-空穴對在電場中被加速，引發(fā)雪崩倍增。偏壓越高，電場越強(qiáng)，載流子被加速的幾率越大，雪崩觸發(fā)效率越高，因此，光子探測效率（PDE）隨著偏降低高而降低。
SiPM探測器兩端的偏壓可以達(dá)到5V甚至更高，相比之下，SPAD受限于3D堆疊的CMOS的標(biāo)準(zhǔn)工藝，探測器兩端加的偏壓的超付范圍只能在3.3V左右。因此，跟SiPM相比，SPAD的光子探測效率反而會低一些。
- 在905nm波長下：
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-
- SiPM（5V偏壓）：PDE≈35-40%SPAD（3.3V偏壓）：PDE≈20-25%
-
直接后果：相同條件下，SPAD的探測距離可能比SiPM縮短20-30%。（據(jù)Hamamatsu 2023年測試報告）
低PDE會從信噪比、探測距離、測距精度、多目標(biāo)分辨能力、實(shí)時性、功耗、環(huán)境魯棒性等多維度削弱SPAD激光雷達(dá)性能。
PDE這個問題會長久存在。不過，PDE率高到一定程度，再提高它對于測距的收益也就比較有限。所以，這個問題也不算特別嚴(yán)重。
3.2?感光單元的“正方形”排列，影響了測距能力
在SiPM方案和SPAD方案中，最小感光單元的排列方式，分別如下圖所示——
從上面的示意圖可以看出，在SiPM方案中，感光單元由很多很小的陣列“拼接”而成的，且拼接出的形狀是“長條形”，而在SPAD方案中，感光單元往往就是一個比較大的陣列，且該陣列的形狀呈“正方形”（不一定是正方形，也可能是“接近于正方形”）。
這意味著，在芯片面積相同的情況下，SiPM中感光面的“最長邊”會比較長，而SAPD中感光面的“最長邊”卻很短。
激光雷達(dá)的測距能力跟感光面的“最長邊”的長度呈正相關(guān)。比如，SiPM的“最長邊”有30mm的話，要實(shí)現(xiàn)某個FOV，焦距就會很長；但SPAD的“最長邊”只有10mm的話，要保持跟前者同樣的FOV，焦距就會很短。 這也是為什么SPAD-SoC方案的激光雷達(dá)最遠(yuǎn)測距不如SiPM方案。
3.3?多通道并行引發(fā)通道串?dāng)_
通道串?dāng)_是指，激光雷達(dá)中一個探測通道的信號錯誤地影響其到他通道（有可能是幾十個），導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)失真、測距誤差甚至虛假目標(biāo)生成的現(xiàn)象。
比如，在高反射場景（如交通指示牌）中，激光脈沖本應(yīng)僅觸發(fā)目標(biāo)物所對應(yīng)的通道，但在多通道并行工作的情況下，雜散光可能同時激活數(shù)十個“無關(guān)”通道。其結(jié)果是，單個指示牌在點(diǎn)云中可能被誤識別為“一整面墻”。
在SPAD陣列中，由于高密度集成和并行工作特性，串?dāng)_問題尤為突出。而動態(tài)范圍的不足又會加劇多通道工作時的信號干擾——當(dāng)強(qiáng)光使部分SPAD像素飽和時，雪崩電流可能通過共享電路耦合到相鄰?fù)ǖ馈?/p>
從上面幾段的表述可以看出，SPAD通道串?dāng)_問題突出的最關(guān)鍵原因在于“多通道并行”。具體可分為如下兩類：
3.3.1?芯片的分區(qū)數(shù)量不夠多 ，導(dǎo)致并行工作的通道數(shù)過多
當(dāng)前SPAD芯片面臨的核心挑戰(zhàn)之一，是分區(qū)數(shù)量不足，這直接導(dǎo)致其并行工作的通道數(shù)過多（無法讓每個通道獨(dú)立開關(guān)），進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的信號串?dāng)_問題。
為什么分區(qū)數(shù)量不足會導(dǎo)致并行工作的通道數(shù)過多呢？
假設(shè)一個SPAD芯片包含100個通道：
- 若分為50個分區(qū)，每個分區(qū)僅2個通道同時工作，串?dāng)_影響范圍有限；若僅分2個分區(qū)（如上半?yún)^(qū)和下半?yún)^(qū)），每個分區(qū)需同時開啟50個通道，串?dāng)_風(fēng)險呈指數(shù)級上升。
3.3.2?光敏面較小，引發(fā)“多通道并行”
大面陣SPAD都必須要通過3D堆疊工藝來實(shí)現(xiàn)而，由于3D堆疊工藝的高昂成本，SPAD探測器的有效光敏面普遍較小。
IMX459為例，SPAD有效光敏面尺寸過小的后果是，在測距能力既定的設(shè)計下，焦距過短，而過小的焦距則導(dǎo)致鏡頭口徑小，信噪比低，嚴(yán)重影響測遠(yuǎn)能力。
為了確保分辨率足夠高，進(jìn)而能實(shí)現(xiàn)180米+的測距能力，SPAD方案需要40+的通道同時并行執(zhí)行多脈沖測量——唯有如此，才能實(shí)現(xiàn)比較高的點(diǎn)云密度。這便直接導(dǎo)致了通道串?dāng)_問題更加嚴(yán)重。
通道串?dāng)_（Crosstalk） 會導(dǎo)致信號失真和測距誤差；并且，它還會通過能量擴(kuò)散、動態(tài)范圍搶占、時空混淆三重機(jī)制，使“高反”膨脹問題的負(fù)面后果加劇。
“SPAD的多通道并行引發(fā)的串?dāng)_問題本質(zhì)是工程挑戰(zhàn)，而非原理缺陷。隨著定制化芯片的推出，未來3-5年內(nèi)有望解決?！薄臣す饫走_(dá)廠商技術(shù)負(fù)責(zé)人
3.4?“高反”膨脹
有多家激光雷達(dá)整機(jī)廠商反映，在使用SPAD技術(shù)時，如果掃描的近距離目標(biāo)周圍存在高反射率的物體（例如鏡面、車牌、金屬等，簡稱“高反物體”），會引起“膨脹”的問題。此即“高反”膨脹。
“高反”膨脹，通常表現(xiàn)為一個正常高反指示牌的點(diǎn)云輪廓會向四周擴(kuò)散，呈現(xiàn)出來一個比真實(shí)物體更大的點(diǎn)云形狀，且多出來的點(diǎn)云部分的反射強(qiáng)度表現(xiàn)會偏低。（下方左圖為“膨脹”點(diǎn)云圖，右圖為正常點(diǎn)云圖）
“高反”膨脹導(dǎo)致的一個結(jié)果是：“明明這里是沒東西的”，但激光雷雷達(dá)也能“顯示”出來，這很危險。
尤其值得一提的是，前面提到的通道串?dāng)_問題往往會使“高反”膨脹問題加劇。比如，使單個“高反”目標(biāo)的污染范圍從1個像素擴(kuò)大到多個像素。
那么，通道串?dāng)_問題為什么會使“高反”膨脹問題加劇呢？
其作用機(jī)制和后果可分為以下幾個層面深入分析：
1. 無串?dāng)_時，高反射目標(biāo)反射的強(qiáng)光應(yīng)僅激活探測器的局部像素，信號能量集中在物理照射區(qū)域；而在串?dāng)_引入后，強(qiáng)光觸發(fā)的雪崩擊穿通過電學(xué)耦合（共享襯底/寄生電容） 或 光學(xué)串?dāng)_ 擴(kuò)散到鄰近像素，導(dǎo)致信號能量從單點(diǎn)向周圍“泄漏”——原本可控的高反信號飽和問題，演變?yōu)閰^(qū)域性信號污染（即膨脹范圍擴(kuò)大）。
2. 無串?dāng)_時，高反目標(biāo)本身已接近接收通道的線性上限（如ADC飽和）；疊加串?dāng)_后，鄰近像素因串?dāng)_觸發(fā)后，進(jìn)一步占用系統(tǒng)動態(tài)范圍資源，導(dǎo)致有效信號處理余量歸零，系統(tǒng)徹底喪失對強(qiáng)弱信號的區(qū)分能力。
3. 無串?dāng)_時，高反膨脹可能僅表現(xiàn)為單個像素或小區(qū)域的數(shù)據(jù)異常（如測距值固定為最大值）；有串?dāng)_時，異常信號擴(kuò)散到周圍像素，形成虛假面狀結(jié)構(gòu)（如將車標(biāo)誤識別為“一片不規(guī)則平面”）。
當(dāng)然，需要注意的是，通道串?dāng)_只是“高反”污染的潛在誘因之一，但并非唯一原因——但即使沒有串?dāng)_，高反射率目標(biāo)本身仍可能通過飽和或光學(xué)散射導(dǎo)致污染。
3.5?針對“高反”膨脹問題的“過濾除”策略，又會引發(fā)“誤濾除”風(fēng)險
3.5.1?行業(yè)應(yīng)對策略：過濾算法的應(yīng)用與局限
為應(yīng)對“高反”物體引發(fā)的信號膨脹問題，激光雷達(dá)廠商普遍采用"過濾除"策略，即把其他通道上的這些光收到的信號給過濾掉。
“過濾除”的核心方法包括：
- 動態(tài)閾值調(diào)整：實(shí)時調(diào)節(jié)檢測閾值，抑制飽和信號（如將高反車牌的回波強(qiáng)度上限設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)值的3倍）；反射率聚類濾除：通過DBSCAN等算法識別并移除異常高反射率點(diǎn)云簇；多幀融合驗(yàn)證：結(jié)合時序分析剔除瞬態(tài)干擾（如陽光在金屬表面的閃爍）。
某廠商測試顯示，算法可將高反路牌的虛影點(diǎn)云減少70%，但代價是10cm高度的低反射率路緣石檢出率下降15%。
3.5.2?誤濾除風(fēng)險：安全性與精度的博弈
但“過濾除”算法有一個危險的地方：它其實(shí)并不能 100% 確定它其他通道上收到的光是來自于一個“高反物體”（虛假信號），還是一個“真實(shí)客觀存在的東西”。
多數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)會通過時間相關(guān)濾波或空間聚類算法剔除噪聲。但若串?dāng)_信號與噪聲特征相似（如隨機(jī)分布），真實(shí)信號可能被視為“噪聲”，進(jìn)而被連帶濾除，從而降低探測精度或漏檢目標(biāo)。
危險場景：
- 當(dāng)高反警示牌（反射率>80%）與黑色立柱、穿黑色衣服的人（反射率<5%）空間重疊時，算法可能將立柱信號誤判為“串?dāng)_噪點(diǎn)”一并濾除。ETC閘道等狹窄空間中，此類誤濾除可能導(dǎo)致車輛忽視真實(shí)障礙物。
簡單地說，誤濾除機(jī)制源于：真實(shí)障礙物的點(diǎn)云因串?dāng)_擴(kuò)散而產(chǎn)生離散異常點(diǎn)，后續(xù)的聚類算法/濾波算法可能將其誤判為“低可信度目標(biāo)”，并剔除。
在狹窄通道（如ETC閘道）或高反射率警示牌附近，SPAD激光雷達(dá)對柱子等低反射率物體的“誤濾除”和點(diǎn)云丟失問題，本質(zhì)上是高反信號壓制、弱信號動態(tài)范圍不足和算法誤判（算法無法區(qū)分疊加目標(biāo)）共同作用的結(jié)果。
在跟筆者聊起這個話題時，禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人說：我覺得激光雷達(dá)相比于視覺最重要的一個作用就是兜底。然而，如果為了解決“高反”膨脹的問題，就通過過濾除算法把一個“明明存在的物體”給過濾掉，那激光雷達(dá)的價值就沒有發(fā)揮出來。
聽到此處時，筆者的第一反應(yīng)是：這就相當(dāng)于“倒洗澡水的時候，連孩子一起倒掉了”，矯枉過正？
3.6?隱形成本高——被低估的"算法稅"
3.6.1?硬件成本背后的隱性投入
在激光雷達(dá)行業(yè)普遍關(guān)注的BOM成本之外，SPAD方案正面臨嚴(yán)峻的"算法稅"挑戰(zhàn)。
以華為192線激光雷達(dá)為例，其采用索尼IMX459 SPAD芯片后，不得不額外配置TI TDA4處理芯片（單價達(dá)幾百元）和百人算法團(tuán)隊(duì)，專門解決噪點(diǎn)過濾和高反膨脹問題。這種隱性成本，使SPAD方案的實(shí)際總擁有成本（TCO）比表面芯片價格高出30-40%。
除了華為，目前尚無沒有其他算法供應(yīng)商真正用起來 SPAD 雷達(dá)，未來如果要用，會需要更多“兜底算法”去優(yōu)化。并且，前面提到的“誤濾除”風(fēng)險也難以徹底避免。
3.6.2?成本結(jié)構(gòu)的深度拆解
直接成本對比
SPAD方案：3D堆疊工藝使芯片成本增加約25%，但節(jié)省了ADC等外圍器件
SiPM方案：雖然單顆探測器便宜20%，但需要外置FPGA+ADC模組（合計約60美元）
行業(yè)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證
"主機(jī)廠常犯的錯誤是，只對比探測器芯片價格，"某 Tier1 供應(yīng)商成本工程師透露，"當(dāng)SPAD需要搭配4 TOPS算力的AI芯片時，系統(tǒng)成本反而比SiPM方案高出25%。"
技術(shù)迭代的悖論
索尼新一代SPAD芯片（預(yù)計2025量產(chǎn)）通過集成預(yù)處理IP核，有望將外置算力需求降低60%。但行業(yè)專家指出："解決串?dāng)_又冒出新問題——現(xiàn)在要應(yīng)對3D堆疊帶來的熱管理成本上升。"
關(guān)鍵結(jié)論
SPAD的成本優(yōu)勢需滿足兩個條件：量產(chǎn)規(guī)模突破50萬臺/年，且算法完全芯片化。在此之前，SiPM仍是成本敏感項(xiàng)目的理性選擇。
3.7?3D堆疊架構(gòu)導(dǎo)致bug修復(fù)困難
SPAD方案所選擇的3D堆疊技術(shù)，是一把雙刃劍——在產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷后，3D堆疊方案的修復(fù)/迭代成本極高。
3.7.1?高度集成化的代價
SiPM方案采用"樂高式"架構(gòu)，如果是ADC出故障，則只需更換15美元的ADC；且其光學(xué)接收端與處理電路可分團(tuán)隊(duì)獨(dú)立優(yōu)化，縮短50%開發(fā)周期；此外，SiPM方案通過FPGA的固件升級解決70%的算法類問題。
相比之下，SPAD-SoC由于不可拆分性，如果出問題，就無法通過硬件微調(diào)來解決，而是得報廢整個$200的SoC模塊。這暴露出3D集成技術(shù)的一個致命弱點(diǎn)——"一損俱損"的耦合效應(yīng)。
3.7.2?技術(shù)迭代的時空悖論
修復(fù)周期困境
當(dāng)客戶現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)SPAD芯片存在光學(xué)串?dāng)_缺陷時，傳統(tǒng)SiPM方案可通過更新FPGA處理邏輯在2周內(nèi)解決。而SPAD需要：
重新流片（18-24周）
封裝驗(yàn)證（8-12周）
這意味著至少6個月的迭代延遲，遠(yuǎn)超智能駕駛產(chǎn)品的窗口期
成本放大效應(yīng)
無論是對單一功能缺陷的修復(fù)，還是對系統(tǒng)級bug的修復(fù)，SPAD方案的處理成本都要比SiPM方案高好幾倍。
行業(yè)悖論
在L4級自動駕駛要求傳感器"持續(xù)進(jìn)化"的背景下，過于超前的集成技術(shù)反而可能成為絆腳石。某新勢力車企因此暫停了3款SPAD雷達(dá)項(xiàng)目，回歸模塊化SiPM方案。
4.SPAD現(xiàn)階段的軟肋，對SiPM來說則“不算挑戰(zhàn)”
由于大面陣SPAD芯片的研發(fā)難度較高，成熟度上不夠，因此，現(xiàn)階段，一些在探測端采用SPAD技術(shù)的主流激光雷達(dá)廠商便先在量產(chǎn)產(chǎn)品上采用了成熟度更高的SiPM。
具體地說，相比于SPAD, SiPM方案有如下幾大優(yōu)勢——
4.1?數(shù)據(jù)采集的精確度高
激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集精度，取決于每個通道里包含的微像素的數(shù)量，而在這方面，相比于SPAD,SiPM方案具有明顯優(yōu)勢。
SiPM方案中每個微像素的尺寸比SPAD更小，因此單通道可集成更多微像素。（比如，SPAD的方案中，每個通道是由3*3的微像素組成的話，那SiPM方案的每個通道就是由10*10的微像素組成的）。
因此，可以想見，SiPM的數(shù)據(jù)采集精度肯定是高于SPAD的。
4.2?從物理層面抑制了通道串?dāng)_問題
相比于SPAD的通道串?dāng)_噪聲大，SiPM方案能明顯地抑制通道串?dāng)_噪聲。
4.2.1?對光學(xué)串?dāng)_噪聲的抑制
SPAD陣列中，一個像素的雪崩光子可能穿透襯底觸發(fā)鄰近像素（尤其在探測高反目標(biāo)時）；而SiPM的微單元間距更大，光學(xué)隔離更好。
4.2.2?對電學(xué)串?dāng)_噪聲的抑制
SPAD共享電源線和時鐘信號，高速雪崩電流會通過寄生電容耦合到相鄰?fù)ǖ?；而SiPM的模擬輸出特性則天然抑制此類干擾——模擬信號鏈的輸入阻抗較低（通常50-100Ω），電源噪聲通過寄生電容耦合時會被分流，難以在信號路徑上形成有效干擾。
SiPM方案通過單通道收發(fā)設(shè)計，從物理層面上抑制了通道串?dāng)_的問題，也抑制了在由通道串?dāng)_帶拉的“高反污染”問題。
尤其值得注意的是， SPAD方案為實(shí)現(xiàn)180米以上測距能力，通常需要40多個通道并行執(zhí)行多脈沖測量 ，而多通道并行，正是其無法避免串?dāng)_問題的一個根本原因；相反，以禾賽AT128為代表的SiPM激光雷達(dá)由于線數(shù)相對較少（200線以下），要實(shí)現(xiàn)180米+的測距能力, 單通道收發(fā)就可以，這便從架構(gòu)上隔絕了通道串?dāng)_的可能性。
單通道收發(fā)設(shè)計，從物理層面當(dāng)上抑制了通道串?dāng)_的問題，也抑制了在由通道串?dāng)_帶拉的“高反污染”問題。
4.3從物理層抑制了環(huán)境光噪聲
源于其獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)和信號處理機(jī)制，SiPM對環(huán)境光噪聲的抑制能力強(qiáng)于SPAD。在陽光直射環(huán)境下，SPAD可能因飽和丟失真實(shí)信號，而SiPM則可通過降低增益+光學(xué)濾波將環(huán)境光噪聲抑制90%以上。
4.4?高動態(tài)范圍表現(xiàn)
在激光雷達(dá)的核心性能指標(biāo)中，動態(tài)范圍直接決定了傳感器同時捕捉強(qiáng)反射和弱反射目標(biāo)的能力。從實(shí)際測試數(shù)據(jù)和產(chǎn)品表現(xiàn)來看，與SPAD激光雷達(dá)相比，SiPM激光雷達(dá)確實(shí)在動態(tài)范圍方面具有顯著優(yōu)勢，這主要源于其物理結(jié)構(gòu)和信號處理機(jī)制的本質(zhì)差異。
4.4.1?SiPM動態(tài)范圍優(yōu)勢的三大根源
(1) 模擬信號處理的天然優(yōu)勢SiPM輸出的是微單元雪崩電流的連續(xù)模擬信號，其幅度與光子數(shù)成正比。這種特性允許：線性響應(yīng)：從單光子到數(shù)百萬光子的信號均可線性捕捉；實(shí)時增益調(diào)節(jié)：通過調(diào)整偏壓（通常5-30V），在強(qiáng)光下降低增益避免飽和，弱光下提高增益增強(qiáng)靈敏度。
(2) 微單元并聯(lián)的統(tǒng)計平均效應(yīng)
一個SiPM像素由數(shù)百個微單元并聯(lián)組成：強(qiáng)信號：大量微單元同時觸發(fā)，電流疊加但不會飽和；弱信號：少數(shù)微單元觸發(fā)，噪聲被多數(shù)未觸發(fā)單元平均抑制。這種機(jī)制使SiPM能同時處理：反射率90%的金屬標(biāo)識反射率5%的黑色輪胎
(3) 無死時間限制
SPAD的死時間（Dead Time，約10-100ns）導(dǎo)致其在強(qiáng)光下會丟失后續(xù)光子事件，而SiPM的模擬輸出無此限制，可連續(xù)響應(yīng)。
4.4.2?結(jié)論
SiPM憑借模擬信號處理、微單元平均效應(yīng)和可調(diào)增益，在當(dāng)前技術(shù)階段確實(shí)提供更優(yōu)的動態(tài)范圍表現(xiàn)。而SPAD的高分辨率優(yōu)勢需以犧牲動態(tài)范圍為代價，這一矛盾只有通過下一代光子計數(shù)技術(shù)（如單光子ToC芯片）才可能根本解決。
對于車企而言，動態(tài)范圍的穩(wěn)定性可能比峰值分辨率更重要——這也是越來越多廠商在量產(chǎn)項(xiàng)目中回歸SiPM方案的關(guān)鍵原因。
"動態(tài)范圍是激光雷達(dá)的'基本功'，SiPM目前在這方面是更穩(wěn)妥的選擇。SPAD需要等到其數(shù)字化優(yōu)勢能覆蓋基礎(chǔ)性能短板時，才會全面逆襲。" ——Yole Développement光電分析師
5.技術(shù)路線選擇的黃金分割點(diǎn)：為何300線成為SiPM與SPAD的分水嶺？
5.1?從CCD與CMOS之爭看技術(shù)代際更替
激光雷達(dá)領(lǐng)域正在重演數(shù)碼相機(jī)傳感器的進(jìn)化史：
- SiPM相當(dāng)于CCD：憑借模擬信號處理的先天優(yōu)勢，在動態(tài)范圍、噪聲控制等基礎(chǔ)性能上表現(xiàn)穩(wěn)?。籗PAD類似CMOS：通過數(shù)字化集成實(shí)現(xiàn)高并行處理能力，更適用于非常高幀率的快速拍照、高像素圖像采集，但需要時間攻克信噪比等基礎(chǔ)問題。
歷史啟示：CMOS最終取代CCD并非因其初始性能優(yōu)越，而是通過持續(xù)迭代解決了功耗、成本等系統(tǒng)性難題——這正是SPAD正在經(jīng)歷的進(jìn)化路徑。
5.2?300線：技術(shù)經(jīng)濟(jì)的臨界點(diǎn)
激光雷達(dá)的線數(shù)會影響到并行通道的數(shù)量，進(jìn)而決定了是“SiPM更合適，還是SPAD更合適”。
<300線需求：? 75線僅需單通道收發(fā)（SiPM天然適配）? 256線最多需要 8 個并發(fā)通道（SiPM仍可優(yōu)化實(shí)現(xiàn)）如果要做的激光雷達(dá)在300線以下，SiPM是更優(yōu)的方案。
>300線需求：需 10+ 個并發(fā)通道，SPAD的3D堆疊架構(gòu)更能發(fā)揮布線密度高、數(shù)據(jù)采集和并發(fā)能力強(qiáng)的優(yōu)勢
在對數(shù)據(jù)的多通道并行處理方面，SPAD的能力肯定是比 SiPM 要強(qiáng)的。因此，在需要同時并行處理幾十個/上百個通道、在線數(shù)非常多（300線以上）的時候，SPAD是更優(yōu)的解決方案——不僅性能更好，而且成本也更低。
5.3?禾賽的實(shí)踐
(1) 來自量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)知通過AT系列百萬臺級SiPM雷達(dá)的量產(chǎn)，禾賽發(fā)現(xiàn)：L2+場景的真實(shí)需求：99%的工況下，200線+10Hz刷新率已滿足功能安全要求；過度設(shè)計的代價：每增加100線，BOM成本上升40%，但用戶體驗(yàn)提升不足5%；基于 256 線以下的需求，SiPM+一維掃描能夠?qū)崿F(xiàn)更好的光學(xué)及收發(fā)設(shè)計。
(2) 對SPAD的理性布局
頭部激光雷達(dá)廠商如禾賽，盡管并不會在量產(chǎn)品上一味追求更新的技術(shù)，但其實(shí)，在SiPM和SPAD兩個方向上，他們都有布局，并會根據(jù)客戶的實(shí)際需求理性選擇更適合的方案。
汽車產(chǎn)業(yè)里面是不是需要能用到SPAD技術(shù)的300線以上激光雷達(dá)？對這個問題，禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人給出的答案是：有可能，為了看見200米外地上一個微小物體，你就需要300線的。
禾賽還認(rèn)為“高反膨脹是 SPAD 技術(shù)必然攜帶的特質(zhì)”這一觀點(diǎn)是錯誤的。在他們來看，SPAD如果做好芯片定義和功能設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)和 SiPM 分立器件方案類似的點(diǎn)云效果。
禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人認(rèn)為，SPAD方案當(dāng)前存在的問題，在經(jīng)過一兩輪的迭代之后，是可以被解決的。
| SiPM | SPAD |
| 300 線以內(nèi)性價比最優(yōu)當(dāng)前 ATX SiPM 方案成熟度高 | 300 線以上才能發(fā)揮優(yōu)勢當(dāng)前 192 線 SPAD 方案成熟度低 |
| 動態(tài)范圍廣 | 易飽和 |
| 點(diǎn)云質(zhì)量高，噪點(diǎn)少 | 易串?dāng)_，噪點(diǎn)多，漏檢風(fēng)險高 |
| 架構(gòu)簡潔 | 需額外增加處理芯片濾除噪點(diǎn) |
5.4?一些激光雷達(dá)廠商陷入的認(rèn)知陷阱
部分廠商盲目追求SPAD的"技術(shù)先進(jìn)性"，卻忽視：
- 算法債務(wù)：每增加1萬行去噪代碼，實(shí)時性下降3%；熱管理噩夢：3D堆疊芯片的散熱成本占系統(tǒng)總成本8-12%；車企的真實(shí)訴求：某德系車企明確要求"在-40℃~85℃環(huán)境下，誤檢率<0.001%"——這一指標(biāo)當(dāng)前只有SiPM能穩(wěn)定達(dá)成。
短期內(nèi)，SiPM方案肯定不會被 SPAD 方案取代的。
附：商業(yè)化背后的技術(shù)哲學(xué)——九章對話禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人
技術(shù)路線的領(lǐng)先性，是否可等同于產(chǎn)品競爭力的領(lǐng)先性？ 一個公司選擇哪種技術(shù)路線，除了技術(shù)負(fù)責(zé)人對技術(shù)趨勢的判斷外，還取決于哪些因素？
帶著這些疑問，近日，筆者與禾賽科技技術(shù)負(fù)責(zé)人展開了一場深度對話，探討了產(chǎn)品"先進(jìn)性"的真正定義，以及技術(shù)創(chuàng)新與商業(yè)化落地之間的微妙平衡。
一、重新定義"先進(jìn)性"：從技術(shù)指標(biāo)到實(shí)際價值
蘇清濤：在當(dāng)前的激光雷達(dá)行業(yè)，各家廠商都在標(biāo)榜自己的技術(shù)先進(jìn)性。不過，技術(shù)的先進(jìn)性，是否等同于產(chǎn)品的“先進(jìn)性”？禾賽是如何定義產(chǎn)品"先進(jìn)性"的？
禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人：這是個很好的問題。我們理解的"先進(jìn)性"可能和業(yè)內(nèi)一些同行不太一樣。對我們來說，真正的先進(jìn)性是，能讓客戶的ADAS系統(tǒng)在全天候、各種極端場景下達(dá)到最高魯棒性，同時將成本控制在合理范圍內(nèi)。
比如在暴雨、強(qiáng)光等復(fù)雜環(huán)境下，我們的SiPM架構(gòu)就展現(xiàn)出了比SPAD方案更穩(wěn)定的性能表現(xiàn)，使AEB的誤報率顯著降低。這種可靠性才是ADAS系統(tǒng)最看重的。
蘇清濤：這個定義很有意思，聽起來你們是從終端應(yīng)用的效果來反推技術(shù)路線的選擇？
禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人：完全正確。我們始終認(rèn)為，激光雷達(dá)的終極價值在于它能為自動駕駛系統(tǒng)帶來多少安全性的提升。如果一款激光雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)很漂亮，但在實(shí)際使用中數(shù)據(jù)誤報率高，導(dǎo)致客戶的系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)高魯棒性，那這樣的"先進(jìn)性"就失去了意義。
ADAS 市場跟這兩年也發(fā)生了很大的一個變化——之前，大家比較喜歡講技術(shù)參數(shù)，現(xiàn)在大家都相對務(wù)實(shí)了。比如，更關(guān)注AEB的誤觸發(fā)率了，這樣的指標(biāo)，才是有意義的；否則，你如果AEB的誤觸發(fā)率很高的話，那你用的傳感器再“先進(jìn)”，也沒啥用。
蘇清濤：你是從什么時候開始養(yǎng)成這種思維方式的？因?yàn)?，通常來說，技術(shù)負(fù)責(zé)人這個角色的人，他對商業(yè)化方面的問題不會特別關(guān)注，他一定會去追求技術(shù)上的“最領(lǐng)先”。
禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人：早期我也更傾向于追求技術(shù)的前沿性，但后來逐漸明白，在汽車行業(yè)，技術(shù)必須服務(wù)于產(chǎn)品。
畢竟，我們做的，并不是像量子計算那樣面向星辰大海的東西——如果要做那樣的東西，我就不應(yīng)該有太強(qiáng)的商業(yè)化思維，追求把技術(shù)做到最簡短是最好的，但激光雷達(dá)是一個已經(jīng)比較成熟、高度商業(yè)化的量產(chǎn)產(chǎn)品。
就像寧德時代，他們肯定有固態(tài)電池的技術(shù)儲備，但現(xiàn)階段推的還是更成熟的方案，因?yàn)橐紤]商業(yè)上的可行性。
我覺得，還是結(jié)果最重要、輸贏最重要。
如果你的技術(shù)確實(shí)是最先進(jìn)的，那你最終輸了，那你的技術(shù)先進(jìn)就完全沒用；而如果你盡管使用的不是最尖端的技術(shù)，但你最終贏了，那這個結(jié)果就是好的。
二、技術(shù)主導(dǎo)VS產(chǎn)品主導(dǎo)：兩種組織模式的對決
蘇清濤：一個公司采用怎樣的技術(shù)路線，應(yīng)該也跟產(chǎn)品部門跟技術(shù)部門在組織架構(gòu)/權(quán)力博弈中的地位有關(guān)。
如果研發(fā)部門特強(qiáng)勢，而產(chǎn)品部門沒有足夠的話語權(quán)，那么，公司通常傾向于選擇更前瞻的技術(shù)路線，對量產(chǎn)可行性考慮不足；相反，如果產(chǎn)品部門也有足夠的話語權(quán)，那么，公司會傾向于根據(jù)量產(chǎn)可行性來選擇是否采用最前瞻的技術(shù)路線。
禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人：確實(shí)如此。就像微軟和蘋果代表兩種典型模式——微軟是典型的研發(fā)主導(dǎo)，工程師開發(fā)出技術(shù)，產(chǎn)品部門負(fù)責(zé)包裝銷售；而蘋果是強(qiáng)勢的產(chǎn)品部門定義需求，研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)。
蘇清濤：那禾賽屬于哪種模式？
禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人：這是個動態(tài)演變的過程。
早期我們更像微軟模式，研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出激光雷達(dá)產(chǎn)品后，商務(wù)團(tuán)隊(duì)才知道要賣什么。那時候技術(shù)團(tuán)隊(duì)的話語權(quán)確實(shí)更大。
而現(xiàn)在，更像一個圓桌會議。先是市場部門針對市場需求做一些體系化的分析工作，然后，產(chǎn)品、研發(fā)、商務(wù)等部門坐在一起，共同討論什么樣的產(chǎn)品“最有市場勝算”。簡單說，就是"一半一半"的平衡狀態(tài)。
蘇清濤：這種轉(zhuǎn)變是怎么發(fā)生的？
禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人：ADAS市場給我們上了深刻的一課。研發(fā)團(tuán)隊(duì)逐漸明白了一個殘酷的現(xiàn)實(shí)：最先進(jìn)的技術(shù)不一定能贏得市場。現(xiàn)在大家更像個成熟的團(tuán)隊(duì)——研發(fā)會考慮量產(chǎn)可行性，產(chǎn)品會尊重技術(shù)規(guī)律，商務(wù)也理解研發(fā)周期。
應(yīng)該說，之前，研發(fā)會更加強(qiáng)勢一些，但現(xiàn)在面對ADAS市場，研發(fā)也能綜合性地看問題，意識到了最重要的并不是技術(shù)領(lǐng)先性，而是商業(yè)的上的輸贏。所以，大家在制定技術(shù)策略的時候，就會考慮采用怎樣的技術(shù)更可能帶來結(jié)果的贏。
三、技術(shù)負(fù)責(zé)人的商業(yè)思維強(qiáng)了，組織的內(nèi)耗就少了
蘇清濤：我發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象——作為技術(shù)負(fù)責(zé)人，您的商業(yè)思維特別強(qiáng)。這在我接觸過的技術(shù)高管中很少見。通常，技術(shù)負(fù)責(zé)人這個職位的人都會誓死捍衛(wèi)"要用最先進(jìn)的技術(shù)"。
禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人：這可能和我個人的經(jīng)歷有關(guān)。在科技行業(yè)待久了就會發(fā)現(xiàn)，技術(shù)再先進(jìn)，如果不能商業(yè)化，終究只是實(shí)驗(yàn)室里的展品。
蘇清濤：記得我們2021年第一次在微信上跟你交流時，我就注意到你對市場和商業(yè)的關(guān)注。這種特質(zhì)在技術(shù)負(fù)責(zé)人中確實(shí)罕見。我感覺，你個人的商業(yè)思維強(qiáng)，意味著禾賽的組織內(nèi)耗是比較少的。
通常，層級比較高的人之間的內(nèi)耗，大都不是因?yàn)槔鏇_突，而是因?yàn)樵诶砟罨蛘J(rèn)知上的不一致。你作為技術(shù)負(fù)責(zé)人能夠頻繁地找那在市場的角度去看問題、更關(guān)注商業(yè)上的成功，你意味著，你首先在理念上跟業(yè)務(wù)部門拉齊了，那公司就不會存在太多內(nèi)耗。
禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人：我們的經(jīng)驗(yàn)是，技術(shù)負(fù)責(zé)人需要走出實(shí)驗(yàn)室，真正理解市場需求。這不是說要放棄技術(shù)追求，而是要讓技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)于商業(yè)目標(biāo)。當(dāng)大家都以公司整體利益為重時，內(nèi)耗自然就少了。
[對話后記]
跟禾賽技術(shù)負(fù)責(zé)人的對話讓我意識到，技術(shù)高管的商業(yè)思維不僅能促進(jìn)技術(shù)商業(yè)化，更能有效降低組織內(nèi)耗。在這個技術(shù)與商業(yè)深度融合的時代，或許我們需要重新定義"技術(shù)負(fù)責(zé)人"的角色——不僅是技術(shù)先鋒，更應(yīng)該是商業(yè)與技術(shù)之間的橋梁建造者。
PS：如果您在公司的組織能力建設(shè)方面有困惑，歡迎加作者微信交流：Mirror20241026
