*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行中，在開展前夕，一場由中國汽車工程研究院和慕尼黑博覽集團聯(lián)合舉辦的“汽車技術日”率先展開討論。加特蘭（Calterah）ASIC 副總裁周文婷現(xiàn)場分享了“77GHz CMOS 毫米波雷達芯片從研發(fā)到量產(chǎn)”的故事。

雷鋒網(wǎng)新智駕根據(jù)錄音進行了分享全文整理（略有刪減），其中的諸多經(jīng)驗對于相關行業(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)展之路上一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，這些技術的發(fā)展離不開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、可靠。如果是一輛 L4 的自動駕駛汽車，車上至少需要配備 10 個以上的毫米波雷達，來滿足其長距、中距以及短距探測的不同需求。因此，對于毫米波雷達而言，除了必要的性能以外，其低成本、小型化成為了毫米波雷達向前發(fā)展的兩項重要指標。

回顧一下 77GHz 毫米波雷達發(fā)展史。

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

早在 1990 年初，當時采用的還是砷化鎵（GaAs）的工藝，一顆砷化鎵的毫米波雷達中，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芯片的成本，同時集成度也整體得到提高，一顆典型的鍺硅毫米波雷達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)實現(xiàn)量產(chǎn)的 77GHz 毫米波雷達產(chǎn)品所采用的方案。當然，鍺硅的價格和體積依然還是不能滿足未來自動駕駛單車需要配備 10 顆以上毫米波雷達這樣的需求。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 工藝在早年沒有被用到 77GHz 毫米波雷達的設計當中呢？那是因為 CMOS 工藝直到最近幾年才可以工作在這樣一個超高的頻率之中。

上圖對比的是鍺硅和 CMOS 這兩種工藝設計中一個最基本的單元——晶體管的工作頻率（Ft）?？梢钥吹剑瑢τ谕瑯右粋€設計的工藝制程節(jié)點，鍺硅的工作頻率是遠遠超過 CMOS 的工作頻率的。以 180nm 工藝節(jié)點為例，鍺硅是可以工作在 200GHz 以上，但對于 CMOS 而言，其 Ft 只能達到 40GHz。因此，用鍺硅工藝來實現(xiàn) 77GHz 的毫米波雷達設計的時候更為穩(wěn)定和簡單的。但是隨著摩爾定律不斷推動 CMOS 工藝的發(fā)展，基本上每兩年就有一個新的工藝節(jié)點的誕生，同時推動的也有 Ft 的不斷翻番。一般一個射頻電路的設計，其最大的可以跑的工作頻率是 Ft 的二分之一到三分之一，因此早年的時候 CMOS 工藝只能工作在大概 10GHz 以下，基本上用在消費市場。到了 40nm 工藝節(jié)點以后，當 Ft 大于 200GHz 以上，用 CMOS 來實現(xiàn) 77GHz 毫米波雷達的設計才成為了可能。

CMOS 工藝帶來的一個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的成本構成：

早年在砷化鎵的毫米波雷達中，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，達到 40%；到了鍺硅時代，由于工藝的變化以及芯片數(shù)量的減少，整個鍺硅工藝毫米波雷達的成本可以相比前代工藝下降 50%，同時射頻芯片占成本的比例也從 40% 降到了 36% 左右；到了 CMOS 工藝時代，由于 CMOS 整個價格是非常低廉的，因此占成本的比例進一步下降，相比于鍺硅工藝時代，整個毫米波雷達的造價又下降了 40%，而且因為 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 工藝的另外一個好處就是具備很高的集成度，這大大降低了毫米波雷達模塊的板級設計的復雜度，提升了效率，節(jié)省了團隊的開發(fā)時間成本。也因為集成度高，讓毫米波雷達的小型化設計成為可能。綜上，CMOS 工藝如今不但可以用于 77GHz 毫米波雷達芯片的設計，而且也符合毫米波雷達低成本、小型化的發(fā)展需求。     

下面簡單介紹一下加特蘭（Calterah）這家公司，首先這是一家初創(chuàng)公司，成立于 2015 年，是一家無晶圓半導體設計公司，主要創(chuàng)始成員都畢業(yè)于美國的知名高校，并在硅谷有多年的半導體設計經(jīng)歷，是很早就使用 CMOS 工藝來設計毫米波電路的企業(yè)。公司主要從事毫米波電路的設計和研發(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解決方案。

從 2015 年成立到 2017 年 10 月，經(jīng)過兩年多的時間，加特蘭發(fā)布了全球首顆 77GHz CMOS 毫米波雷達芯片 Yosemite，這是一顆毫米波雷達的收發(fā)芯片，對比一個 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，使用了先進的可分裝技術，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，加特蘭在芯片當中集成了 2 個發(fā)射通道以及 4 個接收通道，還有一個 PLL（FMCW 波形產(chǎn)生器），再加上一個基帶增益部分，這樣一顆單芯片集成了前代鍺硅工藝的幾個套片所能達到的所有功能。

除了高集成度之外，Yosemite 芯片的性能表現(xiàn)也是不錯的。在 TX 部分，其最大的輸出功率可以達到 12dBm，在 RX 部分，通過可調(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)團隊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)測等等。在 RX 端，還做了 BIST（Build-in Self Test）的電路，對上層系統(tǒng)來說，可以更好的滿足其對于功能安全的需求。

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

舉個例子，這款芯片的整個電路都工作在一個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，在整個毫米波傳輸?shù)脑O計中，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，在整個布局上盡量減少傳輸線的長度（控制在 1mm 以內(nèi)），這樣就能盡量減少毫米波的傳輸所帶來的不必要的性能損耗。另外，在一開始設計芯片架構的時候就采用了降低傳輸匹配的設計，大大減少了不必要的功耗。

通過以上的低功耗的設計，Yosemite 芯片的功耗是非常低的，所有的模塊全部開啟 100% 運行的情況下總功耗在 0.65W，遠遠小于同級別的其他產(chǎn)品。低功耗帶來的一個很大優(yōu)勢就是令結(jié)點溫度（junction temperature）比較低，這也為毫米波雷達的上層系統(tǒng)的散熱設計帶來好處。在實際測試中，Yosemite 芯片在室溫 25 攝氏度情況下，全模塊開啟工作時其溫度在 56 攝氏度左右。

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

因為這兩款產(chǎn)品都是車載毫米波雷達芯片產(chǎn)品，所以非常關注是否能夠滿足 AEC-Q100 的認證。從 2017 年開始，加特蘭就與上海一家非常知名的第三方實驗室進行合作，陸續(xù)開始前兩款產(chǎn)品的 AEC-Q100 可靠性認證。通過一年多的合作測試，到 2018 年 10 月，加特蘭前期的兩款產(chǎn)品都完成 AEC-Q100 Grade2 的可靠性認證。

當然，過可靠性認證只是敲門磚而已，如何在量產(chǎn)過程中保證芯片的質(zhì)量是加特蘭所面臨的巨大挑戰(zhàn)。為了應對這些挑戰(zhàn)，加特蘭首先選擇了全球最大的芯片代工廠（其實就是臺積電）進行芯片的制造；在分裝部分，加特蘭選擇和新加坡的分裝廠進行緊密的合作，在一些關鍵的參數(shù)上進行定制化的調(diào)整；另外，加特蘭在芯片的量產(chǎn)測試上花了很大力氣，從 2016 年就開始尋找供應商準備 77GHz 毫米波雷達芯片的量產(chǎn)平臺，到 2017 年底才完成穩(wěn)定量產(chǎn)平臺的開發(fā)。因為 77GHz 是一個非常敏感的頻率，任何環(huán)境的變化都會影響芯片的性能。到 2018 年，芯片量產(chǎn)正式開啟，這一年，加特蘭量產(chǎn)出貨了超過 10 萬顆毫米波雷達芯片。

雖然 10 萬顆對于大廠來說并不是一個很大的數(shù)目，但這對 CMOS 工藝的毫米波設計來說絕對是向前邁進的一大步。

以上的成績并不會讓加特蘭感到滿足，實際上從 2017 年底開始，這家公司就在進行下一代產(chǎn)品的開發(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 毫米波雷達芯片即將于 3 月 21 日問世。

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