*加特蘭的 Yosemite（2T4R）芯片 

雷鋒網(wǎng)新智駕按：2019 年慕尼黑上海電子展正在進(jìn)行中，在開(kāi)展前夕，一場(chǎng)由中國(guó)汽車工程研究院和慕尼黑博覽集團(tuán)聯(lián)合舉辦的“汽車技術(shù)日”率先展開(kāi)討論。加特蘭（Calterah）ASIC 副總裁周文婷現(xiàn)場(chǎng)分享了“77GHz CMOS 毫米波雷達(dá)芯片從研發(fā)到量產(chǎn)”的故事。

雷鋒網(wǎng)新智駕根據(jù)錄音進(jìn)行了分享全文整理（略有刪減），其中的諸多經(jīng)驗(yàn)對(duì)于相關(guān)行業(yè)從業(yè)者定有益處，值得一讀。

以下為全文：

智能駕駛已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展之路上一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，這些技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)車上傳感器傳回的數(shù)據(jù)，傳感器能夠傳回的數(shù)據(jù)越多，系統(tǒng)能夠提供的信息也就更加精準(zhǔn)、可靠。如果是一輛 L4 的自動(dòng)駕駛汽車，車上至少需要配備 10 個(gè)以上的毫米波雷達(dá)，來(lái)滿足其長(zhǎng)距、中距以及短距探測(cè)的不同需求。因此，對(duì)于毫米波雷達(dá)而言，除了必要的性能以外，其低成本、小型化成為了毫米波雷達(dá)向前發(fā)展的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。

回顧一下 77GHz 毫米波雷達(dá)發(fā)展史。

它并不是一個(gè)全新的概念，已經(jīng)有 30 年以上的悠久歷史，而且毫米波雷達(dá)的發(fā)展與半導(dǎo)體工藝的發(fā)展是密不可分的。

早在 1990 年初，當(dāng)時(shí)采用的還是砷化鎵（GaAs）的工藝，一顆砷化鎵的毫米波雷達(dá)中，需要配備 7-8 顆以上的前端射頻芯片，再配上 3-4 顆基帶（Baseband）芯片，這使得其成本非常昂貴。到了 2000 年初，隨著鍺硅（SiGe）工藝的大力發(fā)展，大大降低了毫米波雷達(dá)芯片的成本，同時(shí)集成度也整體得到提高，一顆典型的鍺硅毫米波雷達(dá)中所需要的前端射頻芯片是 3-4 顆，再配上 1-2 顆基帶芯片，就可以滿足其基本的性能需求。這也是現(xiàn)在大量用在比較高端的車型中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的 77GHz 毫米波雷達(dá)產(chǎn)品所采用的方案。當(dāng)然，鍺硅的價(jià)格和體積依然還是不能滿足未來(lái)自動(dòng)駕駛單車需要配備 10 顆以上毫米波雷達(dá)這樣的需求。所以行業(yè)需要尋求一種更加小型化、成本更低廉的方案，CMOS 工藝使得這一切成為了可能。

首先要解釋一下，為什么 CMOS 工藝在早年沒(méi)有被用到 77GHz 毫米波雷達(dá)的設(shè)計(jì)當(dāng)中呢？那是因?yàn)?CMOS 工藝直到最近幾年才可以工作在這樣一個(gè)超高的頻率之中。

上圖對(duì)比的是鍺硅和 CMOS 這兩種工藝設(shè)計(jì)中一個(gè)最基本的單元——晶體管的工作頻率（Ft）?？梢钥吹?，對(duì)于同樣一個(gè)設(shè)計(jì)的工藝制程節(jié)點(diǎn)，鍺硅的工作頻率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) CMOS 的工作頻率的。以 180nm 工藝節(jié)點(diǎn)為例，鍺硅是可以工作在 200GHz 以上，但對(duì)于 CMOS 而言，其 Ft 只能達(dá)到 40GHz。因此，用鍺硅工藝來(lái)實(shí)現(xiàn) 77GHz 的毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)的時(shí)候更為穩(wěn)定和簡(jiǎn)單的。但是隨著摩爾定律不斷推動(dòng) CMOS 工藝的發(fā)展，基本上每?jī)赡昃陀幸粋€(gè)新的工藝節(jié)點(diǎn)的誕生，同時(shí)推動(dòng)的也有 Ft 的不斷翻番。一般一個(gè)射頻電路的設(shè)計(jì)，其最大的可以跑的工作頻率是 Ft 的二分之一到三分之一，因此早年的時(shí)候 CMOS 工藝只能工作在大概 10GHz 以下，基本上用在消費(fèi)市場(chǎng)。到了 40nm 工藝節(jié)點(diǎn)以后，當(dāng) Ft 大于 200GHz 以上，用 CMOS 來(lái)實(shí)現(xiàn) 77GHz 毫米波雷達(dá)的設(shè)計(jì)才成為了可能。

CMOS 工藝帶來(lái)的一個(gè)最大的好處就是成本的低廉。

下圖展示的是一顆毫米波雷達(dá)的成本構(gòu)成：

早年在砷化鎵的毫米波雷達(dá)中，前端芯片需要 7-8 顆以上，所以其占據(jù)的成本比例是非常大的，達(dá)到 40%；到了鍺硅時(shí)代，由于工藝的變化以及芯片數(shù)量的減少，整個(gè)鍺硅工藝毫米波雷達(dá)的成本可以相比前代工藝下降 50%，同時(shí)射頻芯片占成本的比例也從 40% 降到了 36% 左右；到了 CMOS 工藝時(shí)代，由于 CMOS 整個(gè)價(jià)格是非常低廉的，因此占成本的比例進(jìn)一步下降，相比于鍺硅工藝時(shí)代，整個(gè)毫米波雷達(dá)的造價(jià)又下降了 40%，而且因?yàn)?CMOS 工藝芯片的集成度是非常高的，所以一顆芯片即可代替前代工藝所需要的 3-4 顆芯片，因此其整個(gè)占成本的比例也從 36% 降到了 18%，射頻芯片已經(jīng)不占據(jù)主要的成本，更多的是數(shù)字芯片和后端芯片的成本，比例在 35% 以上。

除了成本以外，CMOS 工藝的另外一個(gè)好處就是具備很高的集成度，這大大降低了毫米波雷達(dá)模塊的板級(jí)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提升了效率，節(jié)省了團(tuán)隊(duì)的開(kāi)發(fā)時(shí)間成本。也因?yàn)榧啥雀?，讓毫米波雷達(dá)的小型化設(shè)計(jì)成為可能。綜上，CMOS 工藝如今不但可以用于 77GHz 毫米波雷達(dá)芯片的設(shè)計(jì)，而且也符合毫米波雷達(dá)低成本、小型化的發(fā)展需求。     

下面簡(jiǎn)單介紹一下加特蘭（Calterah）這家公司，首先這是一家初創(chuàng)公司，成立于 2015 年，是一家無(wú)晶圓半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司，主要?jiǎng)?chuàng)始成員都畢業(yè)于美國(guó)的知名高校，并在硅谷有多年的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)經(jīng)歷，是很早就使用 CMOS 工藝來(lái)設(shè)計(jì)毫米波電路的企業(yè)。公司主要從事毫米波電路的設(shè)計(jì)和研發(fā)，致力于為全球客戶提供更低功耗、更低成本以及更高集成度的毫米波雷達(dá)解決方案。

從 2015 年成立到 2017 年 10 月，經(jīng)過(guò)兩年多的時(shí)間，加特蘭發(fā)布了全球首顆 77GHz CMOS 毫米波雷達(dá)芯片 Yosemite，這是一顆毫米波雷達(dá)的收發(fā)芯片，對(duì)比一個(gè) 1 元硬幣，其體積是非常小的。

這顆芯片采用了 40nm 的 CMOS 工藝制程，使用了先進(jìn)的可分裝技術(shù)，分裝的好處是在射頻端的損耗可以降到最低，極大提升了射頻的性能。這顆芯片的集成度也是很高的，加特蘭在芯片當(dāng)中集成了 2 個(gè)發(fā)射通道以及 4 個(gè)接收通道，還有一個(gè) PLL（FMCW 波形產(chǎn)生器），再加上一個(gè)基帶增益部分，這樣一顆單芯片集成了前代鍺硅工藝的幾個(gè)套片所能達(dá)到的所有功能。

除了高集成度之外，Yosemite 芯片的性能表現(xiàn)也是不錯(cuò)的。在 TX 部分，其最大的輸出功率可以達(dá)到 12dBm，在 RX 部分，通過(guò)可調(diào)增益，可以輸出 40dB 到 70dB 的可調(diào)增益，所以 RX 的噪音系數(shù)也只有 12dB。

此外，加特蘭的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在芯片片上也集成了很多的單元功能模塊，比如片上的溫度傳感器（T Sensor）、TX 端的輸出功率監(jiān)測(cè)等等。在 RX 端，還做了 BIST（Build-in Self Test）的電路，對(duì)上層系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以更好的滿足其對(duì)于功能安全的需求。

加特蘭 Yosemite 毫米波雷達(dá)芯片還有一個(gè)重要的特性就是其低功耗。在設(shè)計(jì)之初，研發(fā)人員從架構(gòu)到板式布局到每個(gè)模塊的優(yōu)化都做了大量的優(yōu)化處理，來(lái)保證芯片的功耗是非常低的。

舉個(gè)例子，這款芯片的整個(gè)電路都工作在一個(gè)非常低的電源電壓下（1.1 伏），包含了前端的射頻電路等等。其次，在整個(gè)毫米波傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)中，考慮到了其射頻損耗，加特蘭在片上采用了 CBW 傳輸線的結(jié)構(gòu)，在整個(gè)布局上盡量減少傳輸線的長(zhǎng)度（控制在 1mm 以內(nèi)），這樣就能盡量減少毫米波的傳輸所帶來(lái)的不必要的性能損耗。另外，在一開(kāi)始設(shè)計(jì)芯片架構(gòu)的時(shí)候就采用了降低傳輸匹配的設(shè)計(jì)，大大減少了不必要的功耗。

通過(guò)以上的低功耗的設(shè)計(jì)，Yosemite 芯片的功耗是非常低的，所有的模塊全部開(kāi)啟 100% 運(yùn)行的情況下總功耗在 0.65W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同級(jí)別的其他產(chǎn)品。低功耗帶來(lái)的一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)就是令結(jié)點(diǎn)溫度（junction temperature）比較低，這也為毫米波雷達(dá)的上層系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)帶來(lái)好處。在實(shí)際測(cè)試中，Yosemite 芯片在室溫 25 攝氏度情況下，全模塊開(kāi)啟工作時(shí)其溫度在 56 攝氏度左右。

從 2017 年 10 月發(fā)布第一款毫米波雷達(dá)芯片產(chǎn)品 Yosemite 開(kāi)始，加特蘭此后陸續(xù)量產(chǎn)了這款芯片的系列產(chǎn)品。第一個(gè)就是 CAL77A2T4R 這款產(chǎn)品，它包含了 2 個(gè)發(fā)射通道、4 個(gè)接收通道，非常低功耗，適用于短距和中距的傳輸；同時(shí)，加特蘭也陸續(xù)量產(chǎn)了 CAL77A4T8R 這款產(chǎn)品，可提供 4 個(gè)發(fā)射通道、8 個(gè)接收通道，同樣低功耗，適用于中長(zhǎng)距車載毫米波雷達(dá)的應(yīng)用。

因?yàn)檫@兩款產(chǎn)品都是車載毫米波雷達(dá)芯片產(chǎn)品，所以非常關(guān)注是否能夠滿足 AEC-Q100 的認(rèn)證。從 2017 年開(kāi)始，加特蘭就與上海一家非常知名的第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合作，陸續(xù)開(kāi)始前兩款產(chǎn)品的 AEC-Q100 可靠性認(rèn)證。通過(guò)一年多的合作測(cè)試，到 2018 年 10 月，加特蘭前期的兩款產(chǎn)品都完成 AEC-Q100 Grade2 的可靠性認(rèn)證。

當(dāng)然，過(guò)可靠性認(rèn)證只是敲門(mén)磚而已，如何在量產(chǎn)過(guò)程中保證芯片的質(zhì)量是加特蘭所面臨的巨大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，加特蘭首先選擇了全球最大的芯片代工廠（其實(shí)就是臺(tái)積電）進(jìn)行芯片的制造；在分裝部分，加特蘭選擇和新加坡的分裝廠進(jìn)行緊密的合作，在一些關(guān)鍵的參數(shù)上進(jìn)行定制化的調(diào)整；另外，加特蘭在芯片的量產(chǎn)測(cè)試上花了很大力氣，從 2016 年就開(kāi)始尋找供應(yīng)商準(zhǔn)備 77GHz 毫米波雷達(dá)芯片的量產(chǎn)平臺(tái)，到 2017 年底才完成穩(wěn)定量產(chǎn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。因?yàn)?77GHz 是一個(gè)非常敏感的頻率，任何環(huán)境的變化都會(huì)影響芯片的性能。到 2018 年，芯片量產(chǎn)正式開(kāi)啟，這一年，加特蘭量產(chǎn)出貨了超過(guò) 10 萬(wàn)顆毫米波雷達(dá)芯片。

雖然 10 萬(wàn)顆對(duì)于大廠來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)很大的數(shù)目，但這對(duì) CMOS 工藝的毫米波設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)絕對(duì)是向前邁進(jìn)的一大步。

以上的成績(jī)并不會(huì)讓加特蘭感到滿足，實(shí)際上從 2017 年底開(kāi)始，這家公司就在進(jìn)行下一代產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，這代產(chǎn)品融合了前端射頻芯片、基帶放大、DAC、數(shù)字 CPU 以及基帶算法，還有不同的接口模塊。

這款被命名為 ALPS 的全新一代 CMOS 毫米波雷達(dá)芯片即將于 3 月 21 日問(wèn)世。

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