芯视界：掌握世界前沿dToF传感技术，为智能终端提供3D“智慧之眼”
2021-07-22 14:46:59 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
南京芯视界微电子科技有限公司拥有先进的光电转换器件设计和单光子检测成像技术，提供基于SPAD技术的dToF传感器芯片和整体解决方案。针对当前激光雷达成本功耗高、可靠性低、系统设计复杂等痛点，芯视界研发了基于大规模单光子探测阵列的全集成芯片。
微访谈：芯视界创始人兼首席执行官李成
访谈背景：南京芯视界微电子科技有限公司（以下简称：“芯视界”）成立于2018年，拥有先进的光电转换器件设计和单光子检测成像技术，提供基于SPAD技术的dToF传感器芯片和整体解决方案。针对当前激光雷达成本功耗高、可靠性低、系统设计复杂等痛点，芯视界研发了基于大规模单光子探测阵列的全集成芯片，该芯片在CMOS工艺基础上实现了高灵敏度、高分辨率的单光子探测阵列，集成了自主研发的超高精度测距电路和抗干扰数字算法，基于该芯片的激光雷达系统可实现精确测距，具有功耗低、成本低、灵敏度高、可靠性高等优点，在技术和实用性上处于国际领先地位。
芯视界创始团队凝聚了一批从业经验超过15年的国内外资深技术专家，专业技术覆盖了光电转换器件设计、单光子检测成像、半导体电路芯片设计及封测等各个领域，以及丰富的项目管理、运营管理、质量管控和成功的创业经验。芯视界创始人李成博士拥有20年丰富的芯片研发经验与管理经验，曾任美国硅光电子制造协会组委会委员、硅谷惠普实验室资深科学家，在集成电路和硅光电子设计和制造行业具有非常丰富的理论和实践经验。在惠普实验室期间，李成博士作为主要负责人，完成了十多项非常具有挑战性的科研和新产品开发项目，许多成果至今仍处于国际领先。2010年首次开发出世界第一个基于硅光子的高速互联电路，从而为惠普公司获得美国能源部5000万美元超级计算机项目打下了坚实的基础。在新产品开发方面，李成博士于2016年在美国硅谷成立了visionICs。成功研发了世界领先的单光子dToF系列传感器芯片，成为世界首家大面阵单光子检测和测距算法芯片单颗芯片全集成的成熟产品公司。
李成博士在国际著名会议和杂志发表了100余篇深具影响力的论文，引用千余次，其中在集成电路国际顶尖会议ISSCC发表3篇论文，在集成电路顶尖期刊JSSC发表4篇论文；拥有数十项国际专利，获得各类成果奖励与荣誉20余项。
今年9月2日，李成博士将在『第三十一届“微言大义”研讨会：3D视觉技术及应用』上分享芯视界的最新进展。在此之前，麦姆斯咨询采访了李成博士，以下是采访内容的整理。
芯视界创始人兼首席执行官李成博士
麦姆斯咨询：李博士您好，非常荣幸能采访您！首先，请您向大家介绍下自己，并谈谈您回国创建芯视界的初衷。谢谢！
李成：最初研发单光子SPAD dToF完全是基于个人的兴趣爱好，单光子SPAD dToF在欧美最早用于量子科研的单光子计数、生物医疗成像、军用和测绘激光雷达等领域，数量稀少并且价格昂贵。但是，基于在北美多年的前沿技术科研和量产经验，我当时就认为这项技术完全可以基于成熟的CMOS工艺开发并且量产，做到低成本化。另外，随着科技的不断发展，在万物互联的人工智能时代，各种智能终端需要各类传感器实现人机交互，完成机器对周围环境的感知。目前成熟的2D图像传感器由于缺少了对第三维度的感知能力，需要后端的大量计算来重构三维场景，不适合智能移动终端的实时性、低功耗、低成本等诸多刚性需求。单光子dToF是一项能够满足这种变革需求的技术，有效地解决传统3D视觉技术（如结构光和iToF）的探测距离短和能耗高的局限性，实现低功耗、高精度下的远距离探测。
因此从2015年起，芯视界一直专注于单光子dToF传感技术的研发工作，从来没有为了迎合市场的热点而改变芯视界聚焦在单光子探测的核心技术路线。芯视界在2018年回到国内发展，也是切合了国内半导体产业飞速发展的大潮流，同时也得益于中国的广阔市场。无论是在消费类电子，还是在安防和车载等领域，单光子dToF相对于结构光和iToF等技术而言，是一项能够广泛胜任且应用于上述诸多领域的技术。
最后，可以用两句话概括芯视界。第一，芯视界是全球最早一批开发单光子dToF传感技术的公司之一。早在2016年，芯视界的前身visionICs就在硅谷开展了SPAD dToF的芯片研发工作。第二，到目前为止，芯视界是中国第一家、也是唯一一家能够将SPAD dToF传感技术的芯片产品规模量产且商业落地的公司。
麦姆斯咨询：接下来，请介绍下芯视界的发展历程和核心团队情况。
李成：芯视界从最初2016年在美国硅谷开始，至今已经得到了飞速的发展。公司最初是我个人陆陆续续出资了100多万美元开始单光子dToF芯片的开发工作。当时的条件非常艰苦，好几个人拥挤在硅谷10平米的办公空间，做着一些其他人不能理解的事情。经过克勤克俭、锲而不舍、踏踏实实研发的一年，在2017年芯视界成功研发了第一代32 x 32像素单光子像素阵列的原型。之后于2018年初，在自己陆续投入资金消耗殆尽的情况下，获得了第一笔宝贵的风险投资。适逢2019年华为公司在市面上寻找单光子dToF的投资合作伙伴，由于芯视界一直专注于研发而没有进行太多的形象宣传，使得芯视界是当时华为调研的最后一家公司。归功于深厚的技术积累，芯视界当时立刻就能够为华为提供3D dToF传感器样片用以调研测试。后来我们得知，芯视界是当时唯一能够为华为送样测试3D dToF的公司，究其原因是我们的创始团队在半导体领域有非常丰富的科研和量产经验。
芯视界发展历程
我在东南大学本科毕业后加入了当时非常著名的一家通信设备公司：上海贝尔阿尔卡特。在经历了三年的DSL和PON的研发工作后，转岗到市场部，负责浙江、江西、湖南几个省的片区，经历了三年市场的锻炼。之后到美国深造获得了硕士和博士学位，攻读集成电路中的数模混合电路设计专业。我的主要科研方向是应用于超级计算机和超大规模数据中心的Silicon photonics（硅光子）技术和超高速Serdes技术。参与并领导了美国国防高级研究项目局（DARPA）、能源部（DoE）、安全局（NSA）资助的累计6000多万美元的超高速光电互联芯片项目。2013年领导开发了全球最高速度的CMOS高速硅光SerDes设计和量产工作，单链路最高速度64Gb/s；以及超高速、低功耗硅光子(Silicon Photonics)的设计和制造。这些科研成果转化量产，用于惠普的高端服务器和超算产品中。我个人发表20多项北美/国际专利、百余篇集成电路方面的学术论文、一本专业书籍，累计应用千余次。在集成电路顶级会议（ISSCC）和期刊（JSSC）分别有3篇和4篇论文。2015~2016年，参与奥巴马政府发起的美国制造协会-硅光子分会（AIM Photonics），为硅光子设计和制造回归美国做出重大贡献。2016年在斯坦福大学教授研究生计算机结构课程（EE382C）的超高速互联部分。
芯视界首席技术官（CTO）俞坤治在清华大学硕士研究生期间参与了国家科技重大专项（01专项）与863项目。博士毕业于美国德州农工大学。曾经受聘于德州仪器Kilby实验室、惠普实验室从事光通信系统与芯片设计工作。在惠普实验室担任研究科学家，参与研发多项美国DARPA等相关项目，发表论文20余篇，引用100余次，担任IEEE会议委员。
芯视界芯片架构师陈志远，毕业于台湾大学及美国德州农工大学。2008~2014期间于台湾奇景光电担任CMOS图像传感器芯片设计工程师，并具有丰富的产品分析经验。2016~2019年期间，于硅谷苹果公司，担任超高速SERDES芯片研发工程师。在IEEE顶级会议和期刊拥有多篇出版物。
芯视界首席运营官（COO）黄晓林。本科毕业于北京科技大学，硕士毕业于中科院微电子所。拥有超过20年的VLSI & SOC的研发经验和设计团队管理以及丰富的芯片量产经验。在美国OmniVision（豪威）担任研发部门资深总监，黄晓林作为资深总监带领多个团队负责公司每年超过20个项目的具体实施和质量验收，掌控公司的芯片设计流程以及EDA tools采购。在芯片设计和制造行业的各个具体环节都有非常丰富的一线经验，并且在建立和带领各种设计研发团队高效成功实现芯片量产也具有丰富的经验。
麦姆斯咨询：芯视界的slogan：“视界”之窗，从“芯”开启。可以谈谈你们主要掌握了哪些有竞争力的核“芯”技术吗？布局了哪些专利？
李成：单光子dToF这项新技术的壁垒非常高，从设计到量产再到测试中又有非常多的难点需要克服。并且由于是新兴的技术，国际上真正能够推出量产dToF芯片的公司寥寥无几，目前也只有意法半导体（ST）、艾迈斯半导体（ams）、索尼（Sony）这三家公司。芯视界是中国第一家，目前为止也是唯一一家能够将单光子dToF芯片大规模量产并且商业落地的公司。芯视界全面掌握了dToF的诸多关键技术，攻克了芯片量产的难关，并且做了广泛的专利布局。比如，单光子SPAD器件技术、单光子控制技术、精确计时技术、数字算法技术以及优化的dToF芯片架构。在量产方面，dToF芯片封装和测试在国内还不成熟，芯视界是目前国类第一家掌握了封装和测试两大关键技术，且能够将dToF传感器大规模量产的公司。
在专利方面，芯视界在中国、美国、欧洲都对自己的技术和产品做了广泛的布局。
麦姆斯咨询：目前，芯视界布局了哪些产品（如1D ToF、3D ToF等）？其目标市场分别是什么？哪些产品已经批量生产和出货？
李成：在1D ToF方面，芯视界的产品VI4300、VI4301是长距离、高性能、全集成激光测距芯片，其中VI4300是全球第一款也是目前唯一一款为扫地机等定制的激光测距量产芯片。芯片内部集成了单光子（SPAD）探测阵列、单光子像素控制、测距电路、算法/内存/接口、微处理器。相比于传统分立器件的方案，具有功耗低、成本低的巨大优势，尤其在目前半导体资源紧张的情况下显得非常有竞争力。该产品已经规模量产落地，年产量约3000万颗，并在扫地机器人、无人机、自动工业小车（AGV）等领域规模落地。
VI5300是一款用于接近传感和激光对焦的传感器，内部集成激光发射器（VCSEL）。目前已经在智能手机头部客户商业落地。芯视界目前正在大力推动产能爬坡，在今年年底会达到5KK颗/月的产能。除了手机客户外，VI5300还在人脸支付、无人机、扫地机器人、智能家居等诸多领域批量出货。
在3D ToF方面，芯视界前后陆续推出了VI4310、VI4320、VI4330三款芯片，VI4330的单光子像素解析度达到了QVGA（320 x 240像素），这也是当时全球最大规模的3D dToF芯片。这三款芯片已经在安防监控、扫地机器人、AGV等领域方案落地，实现了小批量出货。同时，芯视界正在开发全球最先进的基于背照式（BSI）工艺的单光子SPAD器件，采用堆叠工艺的3D dToF图像传感器，性能对标索尼供应给苹果手机的dToF传感器产品，目前正在测试中，10月会有小批量的能力。
芯视界产品路线
麦姆斯咨询：在1D ToF传感器方面，相比友商（例如意法半导体），芯视界的优势体现在哪些方面？
李成：芯视界的1D ToF传感器VI5300与友商意法半导体的VL53L0/1/3完全引脚兼容（Pin-to-pin）且功能对标，芯片尺寸完全相同。客户不需要改动主板就可以使用芯视界的VI5300芯片替换意法半导体芯片。在性能方面，芯视界VI5300则更加优越，其采用了优化的SPAD器件结构，大幅提升了光子探测效能。并且内部采用了全新的测距算法，实现了更高的测距精度以及更强的抗阳光和抗油污能力。这是为什么VI5300能够快速进入头部手机品牌旗舰机的重要原因。预计到今年底，VI5300会达到近千万颗的出货量。
麦姆斯咨询：2019年，芯视界对外发布了中国首款应用于智能手机的QQVGA分辨率SPAD阵列dToF传感器芯片（VI4310）及适配模组（VM4310）。这两款产品的竞争力体现在哪些方面？其迭代产品将主要在哪些方面进行优化？
李成：VI4310（芯片）和VM4310（模组）正式发布于2019年，当时是全球首款大规模单光子面阵的dToF传感芯片。其最远探测距离为15米，刷新率达到了60帧/秒。并且做到了相对于iToF的低功耗和远量程下的距离精度优势，克服了iToF难以解决的多径问题。
芯视界同时也推出了单光子像素解析度为256 x 64像素的VI4320传感芯片和VM4320适配模组，其4:1的感光像素尺寸配比主要针对机器人及无人驾驶等领域的应用。
在2020年，芯视界再次推出了当时全球最大规模解析度的VI4330传感器，单光子像素解析度达到了QVGA（320 x 240像素）。
以上三款芯片集成度非常高，都是将单光子探测阵列、像素控制电路、测距电路、时钟、算法、内存、高速接口等电路完全集成在一颗芯片中。芯片不需要外部ISP的协助就可以直接输出三维点云，真正做到了高密度集成下的低功耗设计。
单光子面阵dToF传感芯片（VI4310、VI4320、VI4330）及模组（VM4310、VM4320、VM4330）
在今年10月份，芯视界的基于BSI工艺的SPAD，以及堆叠式的3D dToF传感器也会面世。芯视界这款BSI堆叠式dToF传感器采用了全球最先进的工艺及设计技术，目前全球也只有索尼推出并实现了该款产品的量产。
麦姆斯咨询：您对苹果新款iPhone和iPad采用dToF激光雷达有何看法？安卓（Android）智能手机厂商是因为技术原因无法跟随苹果？还是不看好应用前景？
李成：苹果公司的dToF传感器非常有前瞻性。早在2016年左右，苹果公司就开始了SPAD dToF传感器的开发，目的是为了配合苹果公司的AR/VR战略。同时，苹果公司选型了dToF这样一个非常有实用性的全新技术。不论在功耗、探测距离和探测精度等方面，dToF相比较于iToF存在着巨大的优势。这也是为什么芯视界早在2015年于美国硅谷就开始了SPAD dToF的研发工作。然而，布局AR/VR不仅仅是一个传感器的难题，而是牵涉到整个应用生态的复杂问题。苹果公司作为手机的头部供应商，推动AR/VR业务成为手机业务的新引爆点势在必行。然而安卓阵营天生在应用生态上的短板必然会让安卓智能手机厂商保持观望态度。但我相信，随着苹果AR/VR战略的布局和扩张，3D视觉生态的兴起，安卓阵营必然会进一步跟随苹果的3D视觉策略。
麦姆斯咨询：这两年，扫地机器人市场重回增长态势，对机器视觉技术的要求也在不断演进。可以谈谈扫地机器人对ToF传感器的要求以及未来的发展趋势吗？
李成：扫地机是一个持续增长的行业，每年的复合增长率比较高。比如说扫地机头部企业，也是芯视界的股东——科沃斯、石头科技每年的销售额都在不断攀升。
dToF对于扫地机来说是一个刚需。主要用于扫地机清扫地面时的SLAM建模和避障。目前市面上约有30%的扫地机配备了单线旋转扫描的激光雷达，用于SLAM建图和路径规划。这些单线激光雷达大都基于dToF传感技术。
另外就是3D dToF传感器，可以为扫地机提供第三个维度的视觉，目前用于扫地机的避障，未来可能会实现三维SLAM建模功能。
虽然iToF传感技术目前已经在少量扫地机器人有所应用，但是由于iToF传感技术本身存在多径干扰、无法同时侦测多目标物体等的技术限制，iToF传感技术不管是单点旋转还是三维面阵，都是难以应用在扫地机SLAM建模应用的。
麦姆斯咨询：面向汽车应用，例如车外激光雷达和车内驾驶员监控系统，芯视界主要布局了哪些产品？目前进展如何？
李成：芯视界在2020年推出的VI4330芯片，是一款QVGA单光子像素解析度的3D ToF传感器，目前可以应用于车内驾驶员监控系统中，同时芯视界正在开发用于车载激光雷达的专用dToF芯片，做车规级芯片设计的各项规划，预计2022年会推出车规级激光雷达dToF芯片。
麦姆斯咨询：2021年2月，索尼（Sony）发布了一款MEMS激光雷达系统，采用其自研的新款堆叠式dToF图像传感器。这向产业界释放了哪些讯息？又会给dToF传感器初创企业带来哪些影响？请谈谈您的理解。
李成：您提到的索尼这项应用在激光雷达系统的堆叠式dToF图像传感器和为苹果手机提供的后置摄像头激光雷达扫描仪的dToF传感器是一脉相承的技术。它们都是将BSI工艺的SPAD，采用堆叠技术与逻辑晶圆整合成一颗完整的传感器。在图像传感器领域，BSI工艺相对于FSI（前照式）工艺一直有非常大的优势。BSI相对于FSI可以减少光在穿透CMOS工艺的厚金属层时的损耗，提升光电探测效率。并且由于采用了堆叠技术，逻辑电路分离出来在另外一片晶圆实现，可以有效地提高感光区域的填充率。芯视界在BSI SPAD以及3D堆叠工艺已经有深厚的积累。预计今年，很快就会有对标索尼的堆叠式dToF图像传感器推出。
麦姆斯咨询：芯视界获得了华为哈勃、科沃斯、石头科技等业界“大佬”的投资。您可以谈谈芯视界的哪些特质吸引了他们吗？在产业合作方面，有哪些落地项目？
李成：技术领先性：首先是芯视界在单光子dToF传感器领域的领先性。早在2017年，芯视界就成功开发了32 x 32像素单光子像素面阵的dToF传感器，2019年推出QQVGA解析度，2020年推出QVGA解析度，等一系列3D ToF芯片。在当时都是全球范围内最大规模面阵的SPAD dToF传感器。在基于BSI工艺的SPAD开发和3D堆叠工艺开发方面，芯视界也走在世界前列。
创新性：在SPAD器件设计、SPAD晶圆工艺、dToF芯片架构、测距及抗干扰算法、低功耗设计等领域都有独特的创新，因此，不管是SPAD的光电探测效能、传感器芯片的面积、功耗，还是整体的测距性能，芯视界相对于国际知名供应商的同类产品都具有非常大的优势。芯视界在dToF的诸多领域已经有数十项技术国际/中国专利保护。
量产落地能力：除了芯片设计技术领先性，芯片公司的一个壁垒在于保证质量前提下的大规模量产和供货，这背后一定是有一个强大系统的运营和质量体系。VI5300芯片从今年6月开始量产，目前已经稳定出货，预计明年会达到近亿级的出货量。在当今半导体产能紧张的情况下，芯视界获得了晶圆厂、封测厂的大力支持，这些支持将是我们产能最有力的保障。
质量保证：芯视界目前已经在为头部手机客户、机器人客户批量稳定地出货。芯视界的激光对焦/接近传感芯片产品VI5300，已经通过了国内手机头部客户的最严格的质量标准认证。公司也正在进行车规级芯片认证体系的建设工作。
客户服务：芯视界非常重视客户关系的维护，在业界拥有良好的声誉，对客户的需求做到第一时间响应并提供反馈支持。通过长期的合作，建立可靠的上下游合作关系。
麦姆斯咨询：请谈谈您对芯视界未来五年的发展规划。
李成：芯视界目前在消费类电子（如扫地机、手机等），以及工业类（如工业机器人，自动引导小车AGV）等都已经有深入的商业布局，实现了芯片的规模量产和商业落地。芯视界的车规级芯片和车规认证也在同步的开发认证过程中。在未来5年，芯视界的单光子dToF传感技术将会在各个领域拓展，从基本的光学传感应用到机器3D视觉，在万物互联的人工智能时代，为智能终端提供3D“智慧之眼”。
麦姆斯咨询：2021年9月2日，您将在『第三十一届“微言大义”研讨会：3D视觉技术及应用』上发表演讲，可以提前透露下您想和观众分享的要点吗？
李成：我将主要向大家分享单光子dToF传感技术要点、芯片架构，以及dToF传感技术在具体应用中相对于iToF、结构光等技术的优势。这里暂时不透露过多的细节，期待演讲中给大家更多的惊喜。
延伸阅读：
《传感应用的VCSEL技术及市场-2021版》