Arbe Robotics setzt auf 22FDX für hochauflösendes Automotive Imaging Radar

von: Dave Lammers

Mit dem hochauflösenden Abbildungsradar können Fahrzeuge die Umgebung bei allen Wetter- und Lichtverhältnissen auf lange, mittlere und kurze Entfernungen sowie in jedem Azimut, jeder Höhe und jedem Doppler erfassen. Es verfolgt die Geschwindigkeit und erkennt Entfernungen besser als derzeit auf dem Markt erhältliche Sensoren.

Die beiden jüngsten Vorfälle im Zusammenhang mit selbstfahrenden Autos in den Vereinigten Staaten zeigen den dringenden Bedarf an verbesserten Sensoren und entsprechenden ADAS-Technologien(Advanced Driver Assistance Systems). Arbe Robotics, ein Start-up mit Wurzeln in der israelischen Militärradarentwicklung, gehört zu den Unternehmen, die auf diesen Bedarf reagieren und mit der Markteinführung eines hochauflösenden, bildgebenden Radarchipsets für Kraftfahrzeuge auf Basis der 22FDX®-Technologie von GLOBALFOUNDRIES beginnen.

Das bildgebende Radar vonArbe Roboticsbietet eine hohe Auflösung von 1° im Azimut und 1,25° in der Höhe, bei Entfernungen von mehr als 300 Metern und einem weiten Sichtfeld von 100°. Nach Angaben des Unternehmens ermöglicht seine fortschrittliche Technologie die Erkennung kleiner Ziele, wie z. B. eines Menschen oder eines Fahrrads, selbst wenn diese durch ein großes Objekt, wie z. B. einen Lastwagen, etwas verdeckt werden. Das bildgebende Radar kann feststellen, ob und in welche Richtung sich Objekte bewegen, und das Fahrzeug in Echtzeit vor einer Gefahr warnen.

Andere Fahrzeugsensoren können bei Regen, Nebel und blendenden Lichtern wie einer plötzlichen Reflexion versagen. Das Radar von Arbe ist von all diesen Faktoren völlig unbeeinflusst. Der speziell entwickelte Radarprozessor erstellt ein 4D-Bild der Umgebung in Echtzeit und klassifiziert Ziele anhand ihrer Radarsignatur.

"Die Leistung, die wir zeigen können, übertrifft die bestehenden Radare", sagt Avi Bauer, Vizepräsident für Forschung und Entwicklung bei dem 2015 gegründeten Unternehmen mit Sitz in Tel Aviv. In einer früheren Funktion hat er die verfügbaren Prozesstechnologien - von Silizium-Germanium (SiGe) bis hin zu CMOS - einem Benchmarking unterzogen und festgestellt, dass sie alle unzureichend sind. Die vollständig verarmte SOI-Technologie von 22FDX erfüllte die Anforderungen sowohl des Radar-Frontend-Geräts als auch des Prozessors. Die Tatsache, dass beide Chips auf 22FDX hergestellt werden, wird es einfacher machen, sie zu einer Ein-Chip-Lösung zu kombinieren, die das Unternehmen in der nächsten Generation anbieten wird.

Bauer sagte, dass wir bei seiner früheren Tätigkeit "aufgrund der Einschränkungen von CMOS-Bauelementen, einschließlich der Leistungsaufnahme, an die gläserne Decke gestoßen sind, was die Effizienz betrifft". Bauer sagte, dass CMOS bei 28nm-Designregeln sowohl bei der Integration als auch bei der Leistung von Radargeräten mit großer Reichweite zu kurz kommt. Silizium-Germanium, das heute für Radargeräte mit großer Reichweite verwendet wird, ist zwar leistungsfähig, aber stromhungrig und hat eine geringe Dichte. Die Umstellung auf ein weitgehend digitales RF-Design in einem 16-nm-FinFET-Prozess wäre zu teuer und riskant.

"Mit SOI ist das Design unkomplizierter, und das (Spannungs-)Biasing ermöglicht Dinge, die in Standard-CMOS nicht möglich sind", so Bauer. Bei den Sende- und Empfangsmodulen kommt der höhere spezifische Widerstand des SOI-Substrats den passiven Komponenten - Induktoren und Kondensatoren - zugute und ermöglicht eine gute Isolierung. "Passive Komponenten mit hohem Q sind wichtig. Bei 22nm ermöglicht SOI eine insgesamt bessere Leistung".

Durch die Vermeidung der hohen Maskenanzahl und der teuren Design-Tools, die für FinFET-basierte Designs erforderlich sind, erfüllt der 22FDX-Prozess laut Bauer die Energie-, Leistungs- und Dichteziele des Unternehmens und bleibt gleichzeitig auf der Kosten-pro-Funktion-Kurve des Mooreschen Gesetzes. Geschwindigkeit und Transistordichte sind wichtig: Hochauflösende bildgebende Radargeräte erzeugen enorme Datenmengen, die nahe am Ort des Geschehens und mit sehr geringen Latenzen verarbeitet werden müssen. Arbe hat einen maßgeschneiderten Prozessor für die Analyse der Radardaten entwickelt, so Bauer, und verwendet einen handelsüblichen Prozessor für den Speicher und andere Steuerfunktionen.

LiDAR, oder nicht

Bert Fransis, ein Senior Director bei GF, sagte, dass ADAS-Fahrzeuge mit einem hochauflösenden Radarsystem, das unter allen Wetterbedingungen "sehen" kann, "im Vergleich zu LiDAR so etwas wie einen Gewinner hätten". Fransis sagte, er glaube, dass hochauflösende Radarsysteme den Einsatz von LiDAR (Light Detection And Ranging), den laserbasierten Sensoren, die oft auf den Oberseiten der heutigen ADAS-Testfahrzeuge zu sehen sind, bald weitgehend verdrängen werden. Die ADAS-Firmen könnten CMOS-Bildkameras und hochauflösendes Bildradar kombinieren und "die Kosten für ein Bildverarbeitungssystem für ein Auto erheblich senken." Die rotierenden LiDAR-Module, die auf den Dächern von Testfahrzeugen montiert sind, kosten 10.000 Dollar oder mehr und funktionieren nur bei klarem Wetter, und selbst dann nur mit relativ mageren 20 Hz Bildwiederholraten.

Die heutigen LiDAR-Module "funktionieren nicht bei nebligem, verschneitem Wetter. Sie bieten nur unter strengen Auflagen eine hohe Auflösung", so Fransis.

Phil Amsrud, leitender Analyst für Automobilelektronik und Halbleiter bei IHS Markit, sagte, dass es im LiDAR-Bereich Innovationen gibt, die von MEMS-basierten bis hin zu All-Solid-State-LiDAR reichen und die wahrscheinlich dazu führen werden, dass LiDAR weiterhin in den "Sensor-Fusion"-Paketen vieler Automobilhersteller enthalten ist. "Wenn man sich die Daten ansieht, die wir jetzt haben, wird LiDAR ein viel längeres Leben haben als nur als wissenschaftliches Experiment in Testfahrzeugen. Es werden so viele Anstrengungen unternommen, um neue Technologien mit weniger beweglichen Teilen zu entwickeln, und es bestehen so viele Partnerschaften, dass wir glauben, dass LiDAR in Serienfahrzeugen zum Einsatz kommen wird. Es passt immer noch in die Mentalität der Sensorfusion, und ich sehe all diese Technologien parallel laufen."

3D plus Geschwindigkeit gleich 4D

LiDAR wird wohl auch weiterhin von einigen Automobilherstellern eingesetzt werden, auch wenn Arbe Robotics und andere Unternehmen die effektive Reichweite des Radars auf über 300 Meter und die Bildgebung auf eine höhere Auflösung steigern. Das Unternehmen behauptet, das erste Radarunternehmen zu sein, das hochauflösende 4D-Bilder (3D + Geschwindigkeit) mit einem großen Dynamikbereich für die Hinderniserkennung in Echtzeit liefert.

Shlomit Hacohen, Vice President of Marketing bei Arbe Robotics, sagte, dass das Unternehmen jetzt Prototypen an Kunden liefert und Anfang nächsten Jahres zur allgemeinen Verfügbarkeit übergehen wird. "Unser bildgebendes Radar ist ein echter Wegbereiter für mehr Sicherheit im Straßenverkehr, da es bei allen Wetter- und Lichtverhältnissen funktioniert. Es verfolgt die Geschwindigkeit und erkennt die Entfernung besser als jeder andere Sensor auf dem Markt", sagte sie.

Die heutigen Radarsysteme unterstützen Sicherheitssysteme wie adaptive Geschwindigkeitsregelung, Erkennung des toten Winkels und automatische Notbremsung. "Bei den derzeit auf dem Markt befindlichen Radargeräten muss man jedoch zwischen Auflösung und Sichtfeld abwägen", so Hacohen.

Die Systeme von Arbe Robotics können für die Erkennung von hinten, von der Seite oder von vorne konfiguriert werden. Das Unternehmen wirbt mit seiner ultrahohen Auflösung von 1° Azimut, 1,25° Elevation und einer Doppler-Auflösung von 0,1 m/s. Es unterstützt ein breites Sichtfeld von 100° Azimut, 30° Elevation und eine Echtzeit-Auffrischungsrate von 40 FPS (Bilder pro Sekunde).

Das Unternehmen hat seine Nachbearbeitungstechnologie patentiert, die den Stromverbrauch senkt, indem sie die Kamera und das LiDAR nur auf die Bereiche richtet, die von Interesse sind.

MRAM in Erwägung gezogen

Auf meine Frage, ob Arbe Robotics plant, die von GF entwickelte eMRAM-Technologie (embedded magnetic RAM) einzusetzen, antwortete Bauer, dass diese für das Single-Chip-Design der nächsten Generation von Arbe Robotics in Betracht gezogen wird. "Als eigenständiges System in einem einzigen Gerät müssen wir wahrscheinlich einen Blick auf eMRAM werfen. Heute befinden wir uns bereits an der Grenze, und das Hinzufügen einer weiteren Funktion wie eMRAM würde ein zusätzliches Risiko bedeuten. Aber wir ziehen es für die nächste Generation ernsthaft in Erwägung".