如果您覺得近來公路上的攻擊性和危險駕駛行為一直在增加，那么您的感覺沒錯。自疫情爆發(fā)以來，超速、醉駕/酒后駕車、分心駕駛等交通違規(guī)行為呈上升趨勢。例如，在加利福尼亞州高速公路上，速度超過100英里/小時的超速罰單幾乎是疫情前的兩倍，而在紐約州，最近因高速公路違規(guī)而開出的罰單數(shù)量也創(chuàng)下了歷史紀錄。這個問題并不僅局限于美國。

面對日益嚴重的交通安全問題，雖然解決方法最終取決于駕駛員，但技術(shù)也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而更先進的汽車雷達則是一項關(guān)鍵要素。

汽車雷達已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)巡航控制、自動緊急剎車、盲區(qū)監(jiān)控以及其他高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)功能。但雷達系統(tǒng)需要功能更強大并與車輛的電子控制系統(tǒng)更緊密地集成，車輛才能夠更加自動化。這樣的雷達系統(tǒng)將能夠?qū)崿F(xiàn)遠比現(xiàn)在要強大的碰撞預(yù)測和避免碰撞能力。

格芯的22FDX、RF CMOS和SiGe BiCMOS技術(shù)平臺能為汽車雷達及其他應(yīng)用提供出色的射頻/毫米波性能、卓越的數(shù)字處理/集成能力、超低功耗運行以及良好的熱特性。

因此，世界上許多高頻電子領(lǐng)域的頂尖研究人員都使用它們來打造新的汽車雷達解決方案，這些解決方案將在未來三到五年內(nèi)出現(xiàn)在汽車之中。這項工作由格芯大學(xué)合作計劃(UPP)提供支持，該計劃使50多所頂級學(xué)府的選定研究團隊能夠使用格芯的半導(dǎo)體技術(shù)和相關(guān)組裝/測試服務(wù)。

作為回報，這些研究人員會與格芯自己的研發(fā)團隊合作，并分享研究成果。這有助于為格芯平臺添加新的特性和功能，開啟新的應(yīng)用可能性，并在學(xué)生的職業(yè)生涯早期向他們介紹這些技術(shù)。

三位世界一流的汽車雷達研究人員

在之前的博客文章中，我們介紹了UPP如何支持多倫多大學(xué)教授Sorin Voinigescu的工作，幫助其構(gòu)建基于22FDX的80/160 GHz雙極化收發(fā)器。

在本博客文章中，我們將了解另外三位著名研究人員如何利用格芯技術(shù)在汽車雷達領(lǐng)域取得重大進展：

Frank Ellinger教授（科學(xué)技術(shù)博士）是德國頂級技術(shù)大學(xué)德累斯頓工業(yè)大學(xué)電路設(shè)計與網(wǎng)絡(luò)理論系的系主任，這所大學(xué)位于格芯Fab1附近的Silicon Saxony”微電子產(chǎn)業(yè)集群中。他主要研究高效模擬和混合信號電路的設(shè)計和建模。他是德國政府研究計劃“zwanzig20 cluster FAST”（快速致動器、傳感器和收發(fā)器）的協(xié)調(diào)員，該計劃擁有90個合作伙伴，大多數(shù)來自于工業(yè)領(lǐng)域。他還負責(zé)協(xié)調(diào)了幾個歐盟資助的研究項目；他撰寫了一本有關(guān)射頻IC和技術(shù)的書，發(fā)表了500多篇科技論文，并斬獲了多個獎項。他的學(xué)生也獲得了40多個科技獎。

Vadim Issakov教授、博士是德國另一所頂級技術(shù)大學(xué)布倫瑞克工業(yè)大學(xué)(TU Braunschweig) CMOS設(shè)計研究所的負責(zé)人。他主要研究雷達和通信應(yīng)用的模擬射頻和毫米波(mmWave)電路，以及量子計算機和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用電路。他持有11項專利，撰寫/合作撰寫了120多篇同行評論文章，斬獲了眾多獎項（包括IEEE MTT-S杰出青年工程師獎），并撰寫了一本有關(guān)雷達應(yīng)用毫米波電路的書。他曾在歐洲頂級研究機構(gòu)Imec、英特爾公司和英飛凌科技公司工作。他在英飛凌擔(dān)任毫米波設(shè)計主管/首席工程師，負責(zé)車道變換輔助的24 GHz雷達技術(shù)（如今已廣泛應(yīng)用于ADAS系統(tǒng)）、手勢感應(yīng)的60 GHz雷達技術(shù)以及其他多個高于100 GHz的雷達預(yù)研課題。

Bogdan Staszewski教授、博士是愛爾蘭其中一所最負盛名的大學(xué)都柏林大學(xué)(UCD)的正教授，也是荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)的客座教授。他于2014年加入UCD，成立了一個630萬歐元的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用電路設(shè)計中心。他的研究包括用于頻率合成器、發(fā)射器和接收器以及量子計算機的納米級CMOS架構(gòu)和電路。對于后者，他和他的學(xué)生致力于使用商用22FDX工藝技術(shù)中的量子阱結(jié)構(gòu)制造量子比特，并將其與控制電子器件緊密地集成在芯片上。他還是初創(chuàng)公司Equall的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學(xué)官，該公司旨在打造世界上第一臺實用型單芯片CMOS量子計算機。他參與撰寫了6本書、150多份期刊和210篇會議論文，擁有210項美國專利，是IEEE會士。

尋找優(yōu)化解決方案

Frank Ellinger表示：“現(xiàn)在不存在理想的汽車雷達，未來也不會存在，因為設(shè)計汽車雷達時通常必須在許多不同的參數(shù)之間進行權(quán)衡，比如說：探測分辨率和精確度、效率、功耗和微型化。然而，22FDX等前沿半導(dǎo)體技術(shù)將使我們逐漸接近優(yōu)化的解決方案。這些技術(shù)對于解決我稱之為‘世紀挑戰(zhàn)’的問題至關(guān)重要。在應(yīng)對‘世紀挑戰(zhàn)’過程中，我們不僅要提高系統(tǒng)性能，還必須改善系統(tǒng)的環(huán)境友好性，比如在能耗方面。”?

”22FDX技術(shù)的自適應(yīng)體偏置(ABB)功能可為調(diào)整晶體管運行提供高靈活性，從而可以提高效率，降低能耗以及減少信號失真。他表示，格芯的22FDX平臺為研究創(chuàng)新型電路開辟了獨特的可能性，他的研究小組目前已有三名博士生在研究基于22FDX的77 GHz汽車雷達電路。”

“22FDX的另一個優(yōu)點在于其n通道和p通道晶體管具有較高速度，即使在CMOS中，也可以在77 GHz頻率下實現(xiàn)足夠的信號電平。這一點至關(guān)重要，因為CMOS具有其他技術(shù)沒有的優(yōu)勢，比如說更低的成本以及在緊湊的片上系統(tǒng)中更好地集成高頻電路與低功耗數(shù)字電路。”

未來的一個有趣研究課題就是高頻電路與封裝的協(xié)同設(shè)計，以降低能耗；鑒于社會對環(huán)保技術(shù)的需求日益增長，這已經(jīng)成為一個關(guān)鍵目標(biāo)。它還可以降低熱效應(yīng)，從而提高可靠性，延長芯片（以及汽車）的使用壽命。

Ellinger的定位也有利于格芯。他表示：“我們在德累斯頓工業(yè)大學(xué)培養(yǎng)本科生、碩士生和博士生，他們不僅是格芯的重要技術(shù)人才儲備，也是Silicon Saxony其他公司（格芯客戶）的技術(shù)人才儲備。”然而，與世界其他地方一樣，激勵年輕人學(xué)習(xí)電氣工程是德國的一個關(guān)鍵問題。為此，Ellinger和他的兩個博士生一起發(fā)起了備受贊譽的營銷活動，以歌曲、視頻和漫畫的形式展示電氣工程的魅力，并提供極具吸引力的就業(yè)機會。

“只要能在CMOS中實現(xiàn)的，

就會在CMOS中實現(xiàn)。”

Vadim Issakov的團隊發(fā)展迅速。他表示：“我從2021年4月開始組建團隊，現(xiàn)在已經(jīng)有幾個獲批項目和14名研究助理，另外4名也很快就位。此外，我們的團隊還有一名博士后，他是一名經(jīng)驗豐富的毫米波雷達電路設(shè)計專家。我們進行模擬/射頻/CMOS電路設(shè)計，我們的工作主要集中在三大領(lǐng)域：毫米波雷達、低功耗生物醫(yī)學(xué)電路和量子技術(shù)低溫電路。”?

在汽車雷達領(lǐng)域，他的團隊目前正在研究基于22FDX平臺的汽車傳感器，以及基于45RFSOI的140 GHz調(diào)相連續(xù)波(PMCW)雷達片上系統(tǒng)(SoC)，適用于大型可擴展的MIMO陣列。這些電路稍加修改還可以用于通信領(lǐng)域。因此，雷達通信芯片也是一種發(fā)展趨勢，這種芯片能夠同時支持雷達和通信功能。

Issakov認為，SOI技術(shù)是其雷達項目市場上最具前途的CMOS技術(shù)。他表示：“一般而言，使用CMOS FinFET時，如果您進入更小的節(jié)點，您就會迅速失去固有增益，從而會影響FMAX值 ‘晶體管速度的衡量指標(biāo)’，而SOI技術(shù)擁有比較大的固有增益，讓您能夠整合毫米波性能與數(shù)字邏輯和低泄漏性能。”?

這種集成潛力至關(guān)重要，因為正如Issakov所說：“未來幾年，只要能在CMOS中實現(xiàn)的，就會在CMOS中實現(xiàn)。”例如，他提到了整合各種調(diào)制技術(shù)的機遇。例如，脈沖雷達和連續(xù)波雷達之間的差異：脈沖雷達可在近距離提供高分辨率，而連續(xù)波雷達則可探測到更遠距離的物體。他表示：“我們的其中一個目標(biāo)就是使用CMOS設(shè)計將不同類型的雷達調(diào)制技術(shù)整合在單個芯片上。然后，單個芯片可以根據(jù)雷達場景來回切換調(diào)制技術(shù)。”

他表示，汽車雷達近期面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括需要實現(xiàn)更高的分辨率和更短的成像時間；以及尋找更優(yōu)方法來同步組成大型MIMO陣列的元件，以實現(xiàn)出色的角度分辨率。

從長遠來看，使用神經(jīng)形態(tài)計算技術(shù)的“智能”汽車雷達系統(tǒng)將需要更多數(shù)字化能力來探測物體并實時處理數(shù)據(jù)。他表示：“這只能在CMOS中實現(xiàn)。”

Issakov表示，他非常感謝格芯UPP提供的支持。他表示：“我總是能夠獲得所需的幫助和信息，在格芯多項目晶圓(MPW)上制造我們的電路比較簡單，使我們能夠有效地推進工作。”

“22FDX是自然而然的選擇”

Bogdan Staszewski對高頻電子和汽車安全領(lǐng)域的興趣可以追溯到很久以前。在職業(yè)生涯早期，這位都柏林大學(xué)教授在德州儀器花了14年時間開發(fā)數(shù)字射頻處理器技術(shù)，該技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于許多TI產(chǎn)品中。2009年加入TU Delft之后，他帶領(lǐng)自己的博士生參與了一個60 GHz雷達項目，一個6 GHz無線局域網(wǎng)芯片項目，以及其他一些在當(dāng)時推進先進技術(shù)發(fā)展的項目。?

在此過程中，他與一位瑞士同事聯(lián)合創(chuàng)辦了一家公司，開發(fā)并提供激光雷達系統(tǒng)，以創(chuàng)建3D汽車環(huán)境圖像。（激光雷達類似于雷達，但使用的是激光而不是無線電波。）這一經(jīng)歷也促使他認為，構(gòu)建更優(yōu)汽車雷達的最佳方法就是使用融合技術(shù)，包括毫米波雷達和激光雷達。

他表示：“我們需要使用數(shù)字技術(shù)作為模擬、混合信號和毫米波元件的補充，這樣您就可以集成這些模擬功能和數(shù)字功能。雷達需要進行大量的高速數(shù)據(jù)處理來解析所探測到的內(nèi)容，而太多的模擬互連裝置可能會扼殺它的這一功能。”

他認為他的項目使用SOI技術(shù)就是因為這個原因。比如，面向150 GHz汽車雷達的全數(shù)字化PLL發(fā)射器很快就會被淘汰。早前的一個項目專注于77 GHz汽車雷達，但Staszewski的團隊認為22FDX平臺支持150 GHz運行，因此對該項目進行了擴展。通過與一家主要的汽車供應(yīng)商合作，這個項目得以順利進行。

Staszewski還在探索FD-SOI技術(shù)在量子計算領(lǐng)域的應(yīng)用，未來這一技術(shù)可能應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。目前，他使用的是22FDX技術(shù)，而且他的公司已經(jīng)制造了一個只有臺式電腦大小的小型冷凍機。該冷凍機有可能安裝在汽車或卡車上，用于進行“邊緣”神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算。他的團隊正在研究其第三代量子處理器，并且已經(jīng)制造出了具有1000萬門級的工作設(shè)備。

Staszewski非常重視與格芯的合作，他表示：“格芯擁有非常出色的技術(shù)，使我們有機會頻繁地進行流片。不像過去我們在TU Delft合作過的其他公司，這會是個問題，因為學(xué)生需要將其項目向前推進才能夠畢業(yè)。此外，我們從格芯技術(shù)人員那里獲得的信息也非常有用，他們解釋了技術(shù)的來龍去脈，這樣我們就可以對我們正在構(gòu)建的功能進行微調(diào)；體偏置就是其中一個例子。”

他還高度評價了22FDX技術(shù)：“我喜歡22FDX技術(shù)，因為它結(jié)合了低功耗數(shù)字功能，并且能夠出色地集成射頻/毫米波功能。事實上，我咨詢過許多公司，對它們來說，格芯就是 22FDX。這是一種自然而然的選擇。”

【撰文】Gary Dagastine