灵明光子：对标国际巨头，让中国dToF单光子探测技术不再“缺芯少魂”
2020-06-29 08:31:33   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

微访谈：灵明光子联合创始人兼首席执行官贾捷阳

采访背景：2020年3月，苹果（Apple）公司发布了新款平板电脑：iPad Pro，搭载了基于dToF（直接飞行时间法）原理的激光雷达。这对于消费电子产业界来讲无疑是一场强烈的视觉“地震”！而“震中”则是索尼（Sony）为苹果定制生产的dToF传感器，其基于SPAD（单光子雪崩光电二极管）阵列，分辨率达到3万像素，相比意法半导体（STMicroelectronics，以下简称STM）的256像素和艾迈斯半导体（ams）的128像素，直接将dToF传感器功能从“简单测距”跨越至“距离成像”！

苹果新款iPad Pro激光雷达中的SPAD探测器、VCSEL及其驱动芯片

在单芯片上集成SPAD阵列和测距电路的光电探测解决方案，可实现低激光功率下的远距离探测能力，降低整体系统的功耗和成本，以及减小体积。但无论是对设计能力，还是对制造工艺和封装技术，要求都非常高，因此，全球具有上述综合能力的厂商寥寥无几。

据麦姆斯咨询调研，在中国能提供此技术的设计企业可谓凤毛麟角。深圳市灵明光子科技有限公司（以下简称“灵明光子”）是一家专注于为智能硬件所需的深度传感应用设计并制造高效率SPAD芯片的初创企业，成立于2018年5月。灵明光子为激光雷达设计制造的硅光电倍增管（SiPM）已经出货，而面向消费电子应用的dToF单光子成像阵列（SPADIS）于2020年第二季度开始出货。我们联系到灵明光子联合创始人兼首席执行官贾捷阳博士，并邀请其团队在『第二十九届“微言大义”研讨会：激光雷达技术及应用』和『第三十届“微言大义”研讨会：3D视觉技术与应用』两场研讨会上与大家见面。在此之前，麦姆斯咨询采访了贾捷阳博士，以下是采访内容的整理。

麦姆斯咨询：贾博士您好，非常感谢您接受麦姆斯咨询的采访！我们了解到，在灵明光子团队中，不仅创始成员实力雄厚，核心团队也是人才济济。请您先向大家简要介绍灵明光子的团队情况，然后谈谈如何在短时间内吸纳技术和管理背景如此强大的人才并组建团队。

贾捷阳：灵眀光子创始团队由四位海归博士以及美国工程院院士、斯坦福大学电子系教授James Harris组成。其中我、臧凯（董事长兼首席技术官）、李爽（首席开发官）都是James Harris的学生，在共同创立灵眀光子之前曾在斯坦福大学同一实验室共事六年之久。另外一位创始人张超（研发副总裁）毕业于荷兰代尔夫特理工大学，师从SPAD领域宗师级教授Edoardo Charbon。我们在创业前各自都有工作经验：我在Solar Junction和Mojo Vision，臧凯在微软Hololens，李爽在Quantumscape，张超在NVIDIA（英伟达）。我们背景各不相同，但有着同样的创业理念：希望能用自己擅长的技术打造一家有着成为业界龙头潜力的芯片公司。大家最初萌生创业想法是在2016年，很快便确定了以SPAD技术为基础，但用了两年左右时间探索不同的SPAD应用领域，最终在激光雷达以及消费类3D视觉领域找到了机会。2018年，我们共同成立了灵眀光子。

灵明光子核心团队成员合影

自成立之初，灵眀光子便坚持“学术精英 + 业界老兵”的团队构建方式。虽然对于芯片行业来讲，经验非常重要，但SPAD/dToF这个领域非常新，技术更新非常迅速，我们认为队伍中必须有充足的核心技术掌握者。灵眀光子目前近40名成员中有10名都有着国外一流大学博士学位，覆盖了dToF所有相关技术方向，有着扎实的核心技术根基。同时灵眀光子研发团队大部分成员有着五年以上工作经验，有六名成员工作经验在15年以上，其中包括了来自ams、意法半导体的业界老兵，保证了我们产品的迅速成熟落地。这样的团队构成也注定了灵眀光子产品方向主要着眼于新概念产品和高端产品，以产品研发速度和性能作为公司的核心竞争力，这与很多把进口替代作为主要方向的芯片公司形成了明显区别。

构建这样的团队不只非常考验管理团队的综合能力，更加考验的是整个团队是否有明确的技术思路。吸纳业界老兵加入可以依靠猎头和各种人脉关系，但对学术精英的发掘则需要团队深度了解整个行业的学术发展脉络和先进趋势方向，才能针对性地锁定全球各大高校实验室里的人才。这一方面，由于我们创始团队里的臧凯、张超都是SPAD领域核心技术的引领者，我们团队具有与生俱来的优势。

麦姆斯咨询：单光子探测技术在当前和未来有巨大的发展前景。灵明光子专注于高效率单光子探测芯片的开发，目前面向消费类和汽车类应用分别布局了哪些产品？开发进展如何？

贾捷阳：灵眀光子目前有两条产品线：（1）硅光子倍增管（SiPM），主要面向激光雷达客户，旨在取代目前在各种激光雷达上广泛采用的雪崩光电二极管（APD）；（2）单光子图像传感器（SPADIS），主要面向消费电子客户，也就是业界俗称的“dToF”芯片，未来会逐渐替代现在已经普及的“iToF”芯片。灵眀光子已经有成熟的量产型SiPM产品，包括了单点和线阵等不同形态，同时主要参数已经达到了业界领先水平，目前已有多家激光雷达客户正在采购或评测。SPADIS已经小范围开放demo（演示），并向主要客户开始供样，当前主要满足客户的dToF技术验证需要，将结合客户需求在2021年推出量产型产品。

灵明光子打造基于SPAD技术的两大产品线：SiPM和SPADIS

这里强调一点：SiPM可适用于各种不同形态的激光雷达，并不仅局限于车载应用。灵眀光子SiPM同样可以满足包括用于扫地机器人在内的各种非车载激光雷达的需求，并且有多家非车载客户正在积极评测。

麦姆斯咨询：若要将硅光电培增管（SiPM）应用于汽车激光雷达，符合车规级标准是“敲门砖”。灵明光子在设计、制造、封装、测试以及认证等各个环节如何保证SiPM满足车规级要求？

贾捷阳：一般我们所说的“车规”包括了ISO9000、TS16949和AECQ三项认证。灵眀光子SiPM产品的合作代工厂均有TS16949认证，并且我们将于今年年内认证ISO9000。至于AECQ认证，我们更倾向于与车载激光雷达客户深度合作，待客户确定具体产品需求之后再进行针对性的认证工作。如前所述，灵眀光子的SiPM也有不少非车载应用客户，因此我们并不需要让每一款产品都通过车规认证。即便如此，灵眀光子极为重视SiPM测量与校准，并已做了大量的工作。我们拥有自主、完整的参数测量和可靠性实验能力，满足客户对产品性能和可靠性的需要。

麦姆斯咨询：目前SiPM核心技术主要掌握在国外几家大厂手中，如安森美（收购SensL）、滨松、Princeton Lightwave等，并且已与汽车激光雷达厂商开展了深度合作。作为一家初创企业，灵明光子会采用何种战略打入汽车激光雷达产业链？你们的技术优势有哪些？

贾捷阳：汽车激光雷达当前仍然处于早期发展阶段。不论是汽车厂商对于激光雷达系统的需求，还是激光雷达厂商对于零部件的需求，都有三个主要特点：需求变化快、对性能敏感、供应链安全需求迫切。因此我们认为只要我们产品性能足够先进，这个领域反而能成为我们很好的机会：（1）首先，作为初创公司，我们迭代速度快、定制灵活性高，能够满足客户需求；（2）其次，比起产品单价，客户更在乎性能或全系统成本，使得我们有利润空间；（3）同时，我们作为国内目前唯一一家有量产能力的SiPM供应商，在增强国内客户供应链安全方面有先天性优势。当然，以上结论的前提是我们在技术上足够领先。目前，灵眀光子采用光子捕捉技术的SiPM已经成功量产，905nm PDE（光子探测效率）达到了15%以上，高于OnSemi（安森美）同类型货架产品，此外DCR（低暗计数率）、Recovery time（恢复时间）等参数也大幅度领先。我们也观察到，灵明光子的产品对于大多数已经采用国外竞品的客户来讲，依然具有充足的吸引力。

灵眀光子SiPM实物图及性能对比。公司现有单点及1x16两个规格的产品，与市场上当前出货量最大的安森美RB10020相比，各方面性能都有大幅度提升。

麦姆斯咨询：针对市售SPAD组件在近红外波段（850~1000nm）光子探测效率（PDE）不足的问题，灵明光子有什么独特的解决方案？PDE可以达到多少？

贾捷阳：灵眀光子的核心技术之一就是能够大幅度提升PDE的光子捕捉技术。这项技术的原理说起来十分简单，便是让进入器件的光子不再是以单一路径通过器件光敏区域，而是在器件上下表面之间形成一定的谐振，大大增强了器件对光的吸收。但其工程实现非常复杂，需要攻克三大难题：一是复杂的纳米光学设计以实现大幅度的PDE提升；二是围绕着光子捕捉对整个器件电学结构重新进行创新式设计，能最大发挥出光子捕捉技术的核心优势的同时，同时避免影响低暗计数率、恢复时间等其它参数；三是工艺设计，需要让全新设计的器件能够与CMOS工艺兼容。

能提升PDE的光子捕捉技术的器件结构示意图

我们团队不仅有着扎实的学术积累（这项工作最有影响力的学术成果则由臧凯发表在《自然·通讯》，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-00733-y），并且有着一般芯片公司不具备的全堆栈器件和工艺设计能力，因此能在相对短的时间内解决上述三个问题。在公司成立不到两年的时间内，灵眀光子出货的第三代量产SiPM已经实现15%以上的可用PDE，超过欧美公司经过十多年打磨出的产品性能。而我们的实验室研发样片的PDE已经超过了20%，这也是灵眀光子下一代产品希望实现的目标。

麦姆斯咨询：dToF方案的优势深受3D视觉业界认可。iToF（间接飞行时间法）方案所需光电探测器可采用基于CCD和CMOS图像传感器制造工艺实现，但基于SPAD的单芯片集成解决方案实现难度很高，实现大阵列的难度也非常高。这主要受限于哪些因素？请您向大家进行详细讲解，谢谢！

贾捷阳：SPAD芯片实现大阵列的技术难点有很多，总体来说还是由于产品太新、设计和工艺都有待成熟而导致的。这其中有器件物理层面的问题，比如提升小像素的PDE；有电路设计方面的问题，比如TDC（时间数字转换器）如何设计、数据如何高效传出；也有工艺工程方面的问题，比如散热。

目前最直观的两个问题：其一是TDC等电路部分占用面积过大，如果阵列较大的话电路部分会占用太多芯片面积，也造成走线和信号读出方面的困难；其二是dToF直方图数据量太大，如果想减少数据量则必须增加片上DSP（数字信号处理），这又带来了芯片面积的压力。随着时间的推移，整个业界对于dToF量产产品的设计、生产、使用的经验不断增加，我们认为上述问题都会逐渐得到解决。CMOS图像传感器（CIS）也是经历了一个漫长的分辨率爬坡过程才到达今天的“亿像素”级别，iToF传感器由于采用了大量CIS成熟工艺，大大缩短了这一过程。但是dToF传感器由于电路和工艺与CIS相关性很小，因此不得不重新开始分辨率爬坡过程。我们认为dToF阵列规模提升最重要的一个转折点是3D堆叠工艺的采用。3D堆叠能大幅节省芯片面积，同时也使SPAD和电路可以采用不同的工艺节点，帮助实现高速DSP。采用3D堆叠后dToF芯片有望实现超过iToF的阵列规模。

SPAD阵列：从2D集成到3D集成

麦姆斯咨询：您认为未来智能手机采用的ToF技术会如何发展？是dToF逐步取代iToF，还是双方“势均力敌”？

贾捷阳：单从技术方面看，dToF取代iToF存在很强的逻辑必然性。现在iToF实际应用中暴露出三个自身难以解决的问题：一是全系统能耗太大（因为采用连续波或宽脉冲激光），二是准度易受干扰（如透明物体干扰、多光路干扰、反射率对比度干扰），三是抗环境光能力差限制了户外应用。这三个问题显著限制了iToF的应用。而dToF则从根本上解决了以上三个问题，实际应用的性能天花板要远高于iToF。然而任何一项新技术的发展都不只取决于技术原理，产业链的成熟度、全产业链成本、可靠性等因素以及市场的宏观局势都会影响技术演进。当前的dToF产业链成熟度尚不如iToF，因此未来dToF是否取代iToF会取决于很多因素。3D ToF的应用场景非常多，对于某些特定应用场景，iToF跟dToF也会各自有一些优势。

麦姆斯咨询：请您评价索尼为苹果新款iPad Pro激光雷达所定制的SPAD探测器，它有哪些亮点？

贾捷阳：我们不方便评价我们竞争对手的产品。但我可以评论的是，iPad Pro的dToF模组全套方案非常精妙，专门为手机等移动设备AR（增强现实）和3D建模应用设计，对整个业界有很好的指导意义。我们分析iPad Pro的方案要从整体系统角度看待，而不应只关注SPAD这一个元件。

麦姆斯咨询：传言苹果新款iPad Pro激光雷达也会用于2020年即将发布的iPhone 12 Pro Max。消费电子市场空间巨大，苹果这项应用为dToF产业链带来了哪些讯息？灵明光子是否已经准备好迎接dToF时代的开启？

贾捷阳：首先，我们无法回应其它厂家未经证实的产品消息。我们的产品规划是基于自己的市场和技术分析而非业界传闻，相信其它dToF友商也是如此。我们相信对于手机而言，dToF技术的核心价值在于其根本性地改善了手机的3D传感能力，使其能耗、抗环境光能力和精准度达到了AR大规模应用于手机、平板电脑以及AR眼镜等所需的水平。就像手机生物识别技术赋能了移动支付一样，dToF也会促使手机3D技术赋能手机AR应用市场。因此，灵眀光子不仅要在dToF产品研发进度上保持领先位置，更要建立从芯片/器件到系统再到消费者的全价值链的深入了解。我们有信心能在最短的时间让我们的dToF产品找到3D传感市场中最长远的一条价值链，并成为其中最坚固的一环。

灵眀光子SPADIS芯片及dToF模组

麦姆斯咨询：智能手机等消费类产品对价格非常敏感。该产业链上下游厂商在追逐性能达标的同时，必须保证成本合理且具有持续下降的空间。对此，作为一家无晶圆厂（fabless）设计公司，灵明光子将如何管理供应链，以满足消费电子市场所追求的高性价比产品？

贾捷阳：虽然我们是Fabless公司，但我们有自己全堆栈的SPAD工艺设计能力，我们在与代工厂合作方面有着其他Fabless公司不具备的优势。我们在封装以及模组方面选择与头部模组封装公司进行深度合作，依靠他们的成熟量产资源控制模组产品的成本，我们则把更多精力集中在芯片本身的性能和质量上。我们也会跟客户和合作伙伴一起打造dToF应用算法，发挥出我们芯片的优势。

麦姆斯咨询：中美贸易战愈演愈烈，是否会对灵明光子造成负面影响？你们已经提前采取哪些措施以减少或规避中美贸易战对灵明光子业务的影响？

贾捷阳：灵眀光子高度重视合规工作。由于公司2018年正式开始运营时，中美贸易战已经开始，我们从成立之日起便对公司各项涉及合规和知识产权的工作做了最高等级的规范，目前核心知识产权跟技术都是归属于深圳灵明光子。因此，当前中美贸易战的加剧对公司运营并没有直接负面影响。

麦姆斯咨询：您对灵明光子未来五年的发展目标和规划有何设想？

贾捷阳：首先我们要在产品性能和质量上全面超越OnSemi、ams、意法半导体等国外竞争对手，给客户交付性能最优、质量最好的SPAD芯片产品。这是灵眀光子创立以来的核心价值。其次我们要建立起一支能够支持公司持续创新并持续攻克业界尖端问题的团队。借此我们也希望能够推动SPAD、dToF整个领域的进步，逐渐成为行业趋势的引领者。

麦姆斯咨询：近期灵明光子是否有融资计划？如有，请谈谈资金的用途。

贾捷阳：目前灵眀光子财务状况比较健康，不过由于手机dToF产品研发进入了发力期，我们近期拟开启新一轮融资以加速手机产品研发和客户design-in（设计导入）的过程。融资的资金将主要用于研发和产品化（包括流片）。

麦姆斯咨询：今年很荣幸邀请到灵明光子在『第二十九届“微言大义”研讨会：激光雷达技术及应用』和『第三十届“微言大义”研讨会：3D视觉技术与应用』两场研讨会上分享车载激光雷达和消费电子应用的单光子光电探测技术。此时，您想向观众说些什么呢？

贾捷阳：从激光雷达到3D实时成像，都代表了市场对深度感知技术的渴望。从学术界到工程界，在过去近百年时间内不断尝试，寻求突破，最终在今天，我们看到了一种极具潜力的技术方向——dToF。尽管针对单光子技术和dToF方案还存在很多不足，但是我们有信心通过我们和客户的共同努力，一起推动这项技术的最终落地。在此过程中，我们有能力为我们的合作伙伴提供业界最领先的技术和产品，同时也能够实现灵明光子的愿景：中国的芯片产业不再缺芯少魂！我们掌握核心技术，我们锻造“中国芯”。我们作为一家中国的芯片企业，可以为人类的智能未来创造慧眼。

如果大家对dToF应用有任何问题，欢迎联系我们！

灵明光子联系人
田先生：13681709767
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