审视汽车雷达的未来

作者:Gary Dagastine 

如果你认为最近道路上的侵略性和危险性驾驶增加了,你是对的。自从这一大流行病开始以来,超速、醉酒/受损驾驶、分心驾驶等交通违规行为一直在增加。例如,在加州高速公路上因超速超过100英里/小时而开出的罚单几乎是大流行前水平的两倍,而在纽约州,最近因违反高速公路工作区规定而开出的罚单数量创下了纪录。这个问题并不局限于美国。 

虽然解决日益严重的交通安全问题的最终办法在于司机,但技术也可以发挥重要作用,而更先进的汽车雷达是一个关键因素。 

汽车雷达已经实现了自适应巡航控制、自动紧急制动、盲点监测和其他高级驾驶辅助系统(ADAS)功能。但是,更强大的雷达系统与车辆的电子控制系统更紧密地结合在一起,是车辆能够更自主地运行的基础。它们将带来比现在更大的预测和避免碰撞的能力。 

GlobalFoundries (GF)的22FDX®、RF CMOS和SiGe BiCMOS技术平台具有出色的RF/mmWave性能和数字处理/集成能力、超低功率运行和有利的热特性,适合汽车雷达和其他用途。 

这就是为什么许多世界顶级的高频电子研究人员正在使用它们来创造新的汽车雷达解决方案,这些解决方案将在未来三到五年内出现在车辆上。这项工作得到了GF大学合作计划(UPP)的支持,该计划使50多所顶尖大学的选定研究团队能够获得GF的半导体技术和相关的组装/测试服务。  

作为回报,这些研究人员与GF自己的研发团队进行合作,并分享研究结果。这有助于支持为GF的平台增加新的特性和功能,开辟应用的可能性,并使学生在其职业生涯的早期就接触到这些技术。 

三位世界级的汽车雷达研究专家 

之前的一篇博文描述了UPP如何支持多伦多大学Sorin Voinigescu教授建立一个基于22FDX的80/160GHz双极化收发器的工作。 

在这篇文章中,我们将了解其他三位知名的研究人员是如何利用GF的技术在汽车雷达领域取得重要进展的。 

弗兰克-埃林格,博士。
  • 弗兰克-埃林格教授弗兰克-埃林格教授,博士技术学博士。德累斯顿工业大学是德国领先的技术大学之一,位于GF第一工厂附近的 "Silicon Saxony "微电子集群,是电路设计和网络理论的主席。他的工作重点是高效模拟和混合信号电路的设计和建模。他是德国政府名为 "zwanzig20 cluster FAST"(快速执行器、传感器和收发器)的研究计划的协调人,该计划有90个合作伙伴,大部分来自工业界。他还协调了几个欧盟资助的研究项目;写了一本关于射频集成电路和技术的书;发表了500多篇科学论文;并获得了许多奖项。他的学生,也获得了40多个科学奖项。 

Vadim Issakov教授,博士。
  • Vadim Issakov教授布伦瑞克技术大学(TU Braunschweig)是德国领先的技术大学之一,其CMOS设计研究所博士领导。他专注于雷达和通信应用的模拟射频和毫米波(mmWave)电路,以及量子计算机和生物医学应用的电路。他拥有11项专利;撰写/合作撰写了120多篇同行评议的文章;获得了许多奖项(包括IEEE MTT-S杰出青年工程师奖);并撰写了一本关于毫米波电路的雷达应用书籍。他曾在欧洲领先的研究机构之一Imec工作,并在英特尔公司和英飞凌科技公司工作。在英飞凌,他是毫米波设计负责人/首席工程师,从事24GHz雷达技术,用于变道辅助,现在广泛用于ADAS系统,60GHz雷达用于手势感应,以及其他几个超过100GHz的雷达预开发课题。 

Bogdan Staszewski教授,博士。
  • 波格丹-斯塔谢夫斯基教授,博士。Bogdan Staszewski教授是都柏林大学(UCD)的全职教授,该大学是爱尔兰最大和最著名的两所大学之一,也是荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)的客座教授。他于2014年加入都柏林大学,建立了一个价值630万欧元的物联网(IoT)应用电路设计中心。他的研究涵盖了用于频率合成器、发射器和接收器以及量子计算机的纳米级CMOS架构和电路。对于后者,他和他的学生致力于利用商业22FDX工艺技术中的量子阱结构制造量子比特,并将其与控制电子紧密地集成在片上。他是Equal1公司的联合创始人/首席科学官,该公司旨在建立世界上第一个实用的单芯片CMOS量子计算机。他与人合著了6本书,发表了150多篇期刊和210篇会议文章,拥有210项美国专利,是IEEE会员。 

寻找最佳的解决方案 

"德累斯顿大学的Ellinger说:"理想的汽车雷达不存在,也不会存在,因为总是必须在许多不同的参数中进行权衡,如检测分辨率和精度、效率、功耗和小型化。"然而,像22FDX这样的前沿半导体技术将使我们更接近最佳解决方案。它们对于解决我所说的世纪挑战也是至关重要的,在能源消耗等方面,不仅要提高我们系统的性能,而且要提高其环境友好性。"  

Ellinger说,22FDX技术的自适应体偏压(ABB)功能提供了极大的灵活性,可以调整晶体管的运行,以实现更高的效率、更低的能耗和更少的信号失真。他说,GF的22FDX平台为研究新型电路概念提供了独特的可能性,他的研究小组目前有三名博士生正在研究基于22FDX的77GHz汽车雷达电路。 

"22FDX的另一个好处是其n通道和p通道晶体管的高速,这使得即使在CMOS中也能实现77GHz频率的足够信号水平,"Ellinger说。"这一点很重要,因为CMOS带来了其他技术所没有的优势,如更低的成本和在紧凑的片上系统中更好地整合高频电路和低功耗数字电路。" 

展望未来,Ellinger说,一个有趣的研究课题是高频电路与封装的共同设计,以减少能量损失,鉴于社会对更环保的技术要求越来越高,这是一个关键目标。它还能减少热效应,从而提高可靠性和延长芯片(以及由此产生的汽车)的使用寿命。 

埃林格的地理位置也使GF受益。"他说:"我们在德累斯顿工业大学培养文凭、硕士和博士生,他们对于GlobalFoundries公司以及作为GF客户的硅萨克森州的其他公司来说,是非常重要的技术人才储备。然而,与世界其他地方一样,激励年轻人学习电气工程是德国的一个关键问题。为此,埃林格与他的两名博士生一起开展了一项获奖的营销活动,利用歌曲、视频和漫画来展示电气工程的酷和提供有吸引力的工作机会。 

"凡是能在CMOS中完成的,都将在CMOS中完成" 

瓦迪姆-伊萨科夫在布伦瑞克工业大学的小组正在快速成长。"他说:"我在2021年4月开始工作,已经有几个获批的项目和14个研究助理,还有4个很快就会开始,还有一个经验丰富的博士后,他是毫米波雷达电路设计方面的专家。"我们做模拟/射频/CMOS电路设计,我们的工作集中在三个主要支柱--毫米波雷达、低功耗生物医学电路和量子技术的低温电路。"  

在汽车雷达方面,他的小组目前正在研究基于22FDX平台的车辆传感器,以及基于45RFSOI的140GHz相位调制连续波(PMCW)雷达片上系统(SoC),以实现大型可扩展MIMO阵列。同样的电路在稍作修改后也可用于通信。因此,也有一种趋势,那就是雷达通信芯片,能够同时支持雷达和通信功能的芯片。 

Issakov说他认为SOI技术是市场上对他的雷达项目最有希望的CMOS技术。"他说:"一般来说,对于CMOS FinFETs,当你进入更小的节点时,你会迅速失去内在增益,FMAX[衡量晶体管速度的标准]也会受到影响,但SOI技术有很大的内在增益,让你将毫米波性能与数字逻辑和低漏电性能相结合。  

这种集成的潜力很重要,因为在未来几年,正如Issakov所说,"凡是能在CMOS中完成的,都将在CMOS中完成。"例如,他提到了结合各种调制技术的机会。例如,脉冲雷达和连续波雷达是有区别的。脉冲雷达在近距离提供高分辨率,而连续波雷达则探测更远的物体。"我们的目标之一是利用CMOS设计将不同类型的雷达调制方式集中在一个芯片上。他说:"然后一个芯片可以根据雷达的情况在各种调制之间来回切换。 

他说,汽车雷达近期的主要技术挑战包括需要实现更高的分辨率和更快的成像时间;以及找到更好的方法来同步构成大型MIMO阵列的元素,以实现最佳角度分辨率。 

从长远来看,"智能 "汽车雷达系统将需要更多的数字能力,这些系统使用神经形态计算技术来检测物体并实时处理数据。"他说:"这只能在CMOS中完成。 

Issakov说,他非常感谢GF的UPP提供的支持。"他说:"我总是能得到我所需要的帮助和信息,在GF的多项目晶圆(MPWs)上制造我们的电路是直接的,使我们能够有效地推进我们的工作。 

"22FDX是自然的选择" 

Bogdan Staszewski教授对高频电子和汽车安全的兴趣可以追溯到很久之前。在其职业生涯的早期,这位都柏林大学学院的教授在德州仪器公司工作了14年,开发了数字射频处理器技术,该技术后来被广泛部署在许多德州仪器的产品中。然后,在2009年加入代尔夫特理工大学后,他让他的博士生参与了一个60GHz的雷达项目;一个6GHz的无线局域网芯片;以及其他推动了当时最先进技术的项目。  

在这一过程中,他与一位瑞士同事共同创办了一家公司,开发并提供激光雷达系统,以创建汽车环境的三维图像。(激光雷达类似于雷达,但使用的是激光而不是无线电波。)这种经验是他认为建造更好的汽车雷达的最佳方法之一,即融合各种技术,包括毫米波雷达和激光雷达。 

"我相信我们需要使用数字技术来补充模拟、混合信号和微波元件,这样你就可以将这些模拟功能与数字功能整合起来,"他说。"雷达需要大量的高速数据处理来解释它们看到的东西,太多的模拟互连会扼杀它。" 

他说,这使得SOI技术对他的项目具有吸引力。其中一个例子是用于150GHz汽车雷达的全数字PLL发射器,它将很快被录用。早期的项目主要是针对77GHz的汽车雷达,但是Staszewski的团队认为22FDX平台可以实现150GHz的操作,所以该项目被扩大。该项目是与一家主要的汽车工业供应商合作成功进行的。 

Staszewski还在探索将FD-SOI技术用于量子计算,这在未来可能有汽车应用。他现在正在使用22FDX技术,他的公司已经制造了一个小型低温冷却器,大小与一台台式电脑相当,有可能被放入汽车或卡车,"在边缘 "进行神经网络计算。他的团队正在开发第三代量子处理器,已经制造出具有1000万门的工作设备。 

Staszewski很重视他与GF的关系:"他们有很好的技术,并给我们提供了频繁出带的机会,这与我们过去在代尔夫特理工大学合作的其他公司不同,这是个问题,因为学生需要推进他们的项目,以便毕业,"他说。"另外,我们从GF的技术人员那里得到的信息非常有帮助,他们解释了技术的来龙去脉,这样我们就可以对我们正在构建的功能进行微调;身体偏差就是一个例子。" 

他还对22FDX技术给予了高度评价。"我喜欢22FDX,因为它结合了低功耗的数字能力和极大地整合射频/毫米波功能的选项。事实上,我为一些公司提供咨询,对他们来说,GF就是22FDX,"他说。"这是自然的选择"。