傳感器：不同定位與功能，優(yōu)勢互補(bǔ)

自動駕駛汽車往往配備了多種傳感器，包括攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)。這些傳感器各有不同的功能與定位，優(yōu)勢互補(bǔ)；作為一個(gè)整體，成為了自動駕駛汽車的眼睛。2021 年以后的新車都配備了大量的傳感器，目的是預(yù)留冗余硬件，以便后續(xù)通過 OTA 的方式實(shí)現(xiàn)更多自動駕駛功能。

?2021年 1-5月國內(nèi)新發(fā)布車型傳感器配置及核心功能

攝像頭的作用：主要用于車道線、交通標(biāo)示牌、紅綠燈以及車輛、行人檢測，有檢測信息全面、價(jià)格便宜的特征，但會受到雨雪天氣和光照的影響?，F(xiàn)代攝像頭由鏡頭、鏡頭模組、濾光片、CMOS／CCD、ISP、數(shù)據(jù)傳輸部分組成。光線經(jīng)過光學(xué)鏡頭和濾光片后聚焦到傳感器上，通過CMOS或 CCD集成電路將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過圖像處理器（ISP）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 RAW，RGB或 YUV等格式的數(shù)字圖像信號，通過數(shù)據(jù)傳輸接口傳到計(jì)算機(jī)端。攝像頭可以提供豐富的信息。但是攝像頭依賴自然光源，目前視覺傳感器的動態(tài)做得不是特別寬，在光照不足或者光照劇烈變化的時(shí)候視覺畫面可能會出現(xiàn)短暫的丟失，并且在雨污狀況下功能會受到嚴(yán)重的限制，行業(yè)內(nèi)通常通過計(jì)算機(jī)視覺的方式克服攝像頭的各種缺點(diǎn)。

車載攝像頭是高增量市場。車載攝像頭的使用量隨著自動駕駛功能的不斷升級而增加，比如前視普遍需要 1-3 個(gè)攝像頭、環(huán)視需要4-8 個(gè)攝像頭。預(yù)計(jì)到2025年全球車載攝像頭市場將達(dá) 1762.6 億元，其中中國市場 237.2 億元。

?2015-2025年全球和中國車載攝像頭市場規(guī)模（億元）

車載攝像頭行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的鏡頭組供應(yīng)商、膠合材料供應(yīng)商、圖像傳感器供應(yīng)商、ISP芯片供應(yīng)商，以及中游的模組供應(yīng)商、系統(tǒng)集成商，下游的消費(fèi)電子企業(yè)、自動駕駛 Tier1等。從價(jià)值量來看圖像傳感器（CMOS Image Sensor）占了總成本的 50%，其次為占比 25%的模組封裝和占比14%的光學(xué)鏡頭。

?攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈

激光雷達(dá)（Lidar）的作用：主要用于探測周邊物體的距離和速度。在激光雷達(dá)的發(fā)射端，由激光半導(dǎo)體產(chǎn)生一種高能量的激光束，激光與周圍的目標(biāo)發(fā)生碰撞后，再被反射回來，由激光雷達(dá)接收端捕獲并進(jìn)行運(yùn)算，得到目標(biāo)的距離和速度。激光雷達(dá)具有比毫米波和攝像頭更高的探測精度，可探測的探測距離遠(yuǎn)，往往可以達(dá)到 200米以上。激光雷達(dá)按其掃描原理分為機(jī)械式、轉(zhuǎn)鏡式、MEMS和固態(tài)激光雷達(dá)。根據(jù)測距原理可以分為飛行時(shí)間測距（ToF）和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）。當(dāng)前行業(yè)處于激光雷達(dá)應(yīng)用的摸索階段，還沒有一個(gè)清晰的方向，無法明確哪條技術(shù)路線會成為未來主流。

激光雷達(dá)市場廣闊，中國企業(yè)將領(lǐng)先美國。激光雷達(dá)市場前景廣闊，我們預(yù)測到2025 年，中國激光雷達(dá)市場將接近 150 億元，全球市場接近 300 億元；至 2030 年中國激光雷達(dá)市場將接近 350 億元，全球市場接近 650 億元，全球市場年化增長率達(dá)到 48.3%。美國最大自動駕駛公司特斯拉采用純視覺方案，其他車企暫無激光雷達(dá)上車的具體計(jì)劃，因此中國成為車載激光雷達(dá)的最大潛在市場。2022 年有大量國內(nèi)整車廠推出搭載激光雷達(dá)的產(chǎn)品，預(yù)計(jì) 2022 年車載激光雷達(dá)產(chǎn)品出貨量將達(dá)到 20 萬臺。中國企業(yè)更具勝出概率是因?yàn)橹袊髽I(yè)更加貼近市場，與中國整車廠配合度高，更容易獲得市場訂單，因此降本速度也會更快，形成良性循環(huán)。中國廣闊的市場將會協(xié)助中國激光雷達(dá)企業(yè)彌補(bǔ)與國外企業(yè)的技術(shù)差距。

?2022至 2030年中國激光雷達(dá)市場展望

激光雷達(dá)車型一覽表

當(dāng)前階段各個(gè)技術(shù)路線各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們的判斷是未來 FMCW 技術(shù)將與 TOF 技術(shù)并存、1550nm 的激光發(fā)射器會優(yōu)于 905nm，同時(shí)市場可能會跳過半固態(tài)直接跨越到全固態(tài)階段。

FMCW 技術(shù)與 TOF 技術(shù)并存：TOF 技術(shù)較為成熟，具有響應(yīng)速度快、探測精度高的優(yōu)點(diǎn)，但無法直接測量速度；FMCW 可以直接通過多普勒原理測量速度并且靈敏度高（高出 ToF 10 倍以上），抗干擾能力強(qiáng)，可長距離探測，功耗低。未來可能高端產(chǎn)品用 FMCW，低端產(chǎn)品用TOF。

1550nm 優(yōu)于 905 nm：905nm 屬于近紅外激光，容易被人體視網(wǎng)膜吸收并造成視網(wǎng)膜損傷，因此 905nm 方案只能維持在低功率下。1550nm的激光，原理可見光譜，同等功率條件下的激光對人眼的損傷更小，探測距離更遠(yuǎn)，但缺點(diǎn)是需要InGaAs 做發(fā)生器，且不能使用硅基探測器。

跳過半固態(tài)直接跨越到全固態(tài)：現(xiàn)有的半固態(tài)方案轉(zhuǎn)鏡式、棱角式、MEMS，都存在少量機(jī)械部件，車載環(huán)境下使用壽命短，難以通過車規(guī)認(rèn)證。固態(tài)激光雷達(dá)的 VCSEL+SPAD 方案采用芯片級工藝，結(jié)構(gòu)簡單，易過車規(guī)，成為目前純固態(tài)激光雷達(dá)最主流的技術(shù)方案。iPhone12 pro 背后的激光雷達(dá)用的就是VCSEL +SPAD方案。

?激光雷達(dá)的技術(shù)路線及代表性企業(yè)

高精地圖存在被顛覆的可能。路線之爭在高級地圖領(lǐng)域持續(xù)，特斯拉提出了不需要提前測繪的高精地圖的方案，用攝像頭采集到數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用人工智能技術(shù)構(gòu)建環(huán)境的三維空間，采用眾包的思維，由每一輛車提供道路信息，并在云端統(tǒng)一匯總。因此我們需要警惕技術(shù)革新對高精地圖的顛覆。

部分從業(yè)者認(rèn)為高精度地圖對于智能駕駛不可或缺，從視野范圍看，高精度地圖不受遮擋，不存在距離和視覺的缺陷，在特殊天氣條件下，高精度地圖依舊可以發(fā)揮作用；從誤差看，高精度地圖可以有效消除部分傳感器誤差，在部分路況條件下，可以有效對現(xiàn)有傳感器系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充修正。此外，高精度地圖還可以構(gòu)建駕駛經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，通過多維時(shí)空數(shù)據(jù)的挖掘，分析危險(xiǎn)區(qū)域，為駕駛者提供新的駕駛經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。

激光雷達(dá)+視覺技術(shù)，采集車+眾包模式是未來高精地圖的主流方案。

高精地圖需要平衡精度和速度兩個(gè)衡量指標(biāo)。過低的采集精度和過低的更新頻率無法滿足自動駕駛對高精地圖的需求。為解決這一問題高精地圖企業(yè)采用了一些新方法來應(yīng)對，比如眾包的模式，每一臺自動駕駛汽車都作為高精地圖的采集設(shè)備提供高精動態(tài)信息，匯總后分發(fā)給其他汽車使用。在這一模式下，領(lǐng)先的頭部高精地圖企業(yè)由于可參與眾包的車型數(shù)量多，因此可以采集更加精確、快速的高精地圖，維持強(qiáng)者恒強(qiáng)的局面。

?高德地圖融合方案

計(jì)算平臺：對芯片的要求不斷提高，半導(dǎo)體技術(shù)是護(hù)城河

計(jì)算平臺也叫做自動駕駛域控制器。隨著 L3以上自動駕駛滲透率的提升，對算力的要求也提升，雖然當(dāng)前 L3的法規(guī)和算法都暫未出臺，但整車企業(yè)均采用算力冗余方案，為后續(xù)的軟件迭代預(yù)留空間。

計(jì)算平臺未來有兩個(gè)發(fā)展特點(diǎn)：異構(gòu)和分布彈性。

異構(gòu)：面向高階自動駕駛車輛，計(jì)算平臺需兼容多種類型，多數(shù)據(jù)傳感器并具備高安全性和高性能?，F(xiàn)有單一芯片無法滿足諸多接口和算力要求，需采用異構(gòu)芯片的硬件方案。異構(gòu)可以體現(xiàn)在單板卡集成多種架構(gòu)芯片，如奧迪zFAS集成 MCU（微控制器）、FPGA（可編程門陣列）、CPU（中央處理器）等；也可以體現(xiàn)在功能強(qiáng)大的單芯片（SoC，系統(tǒng)級芯片）同時(shí)集成多個(gè)架構(gòu)單元，如英偉達(dá) Xavier集成 GPU（圖形處理器）和CPU 兩個(gè)異構(gòu)單元。

分布彈性：當(dāng)前汽車電子架構(gòu)由眾多單功能芯片逐漸集成于域控制器。高階自動駕駛要求車載智能計(jì)算平臺具備系統(tǒng)冗余、平滑拓展等特點(diǎn)。一方面考慮到異構(gòu)架構(gòu)和系統(tǒng)冗余利用多板卡實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的解耦和備份；另一方面采用多板卡分布擴(kuò)展的方式滿足高階自動駕駛對于算力和接口的要求。整體系統(tǒng)在同一自動駕駛操作系統(tǒng)的統(tǒng)一管理適配下，協(xié)同實(shí)現(xiàn)自動駕駛功能，通過變更硬件驅(qū)動、通訊服務(wù)等進(jìn)行不同芯片的適配。隨著自動駕駛等級提升，系統(tǒng)對于算力、接口等需求都會與日俱增。除了增加單個(gè)芯片的運(yùn)算能力，還可以將硬件部件進(jìn)行重復(fù)堆疊，實(shí)現(xiàn)對硬件部件的靈活調(diào)整和平滑的擴(kuò)充，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算能力的提升，增加接口、完善功能。

異構(gòu)分布硬件架構(gòu)主要由三部分組成：AI 單元、計(jì)算單元和控制單元。

AI 單元：采用并行計(jì)算架構(gòu) AI 芯片，并使用多核 CPU 配置 AI 芯片和必要處理器。目前AI 芯片主要用于多傳感器數(shù)據(jù)高效融合與處理，輸出用于執(zhí)行層執(zhí)行的關(guān)鍵信息。AI 單元是異構(gòu)架構(gòu)中算力需求最大的一部分，需要突破成本功耗和性能的瓶頸以達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求。AI 芯片可選用 GPU、FPGA、ASIC（專用集成電路）等。

?不同類型芯片對比

計(jì)算單元：計(jì)算單元由多個(gè) CPU組成。具有單核主頻高，計(jì)算能力強(qiáng)等特點(diǎn)，滿足相應(yīng)功能安全要求。裝載 Hypervisor, Linux的內(nèi)核管理系統(tǒng)，管理軟件資源，完成任務(wù)調(diào)度，用于執(zhí)行自動駕駛相關(guān)大部分核心算法，并將多元數(shù)據(jù)整合起來，實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃與決策的控制。

控制單元：主要基于傳統(tǒng)車輛控制器（MCU）?？刂茊卧虞d ClassicAUTOSAR平臺基礎(chǔ)軟件，MCU通過通信接口與 ECU相連，實(shí)現(xiàn)車輛動力學(xué)橫縱向控制，并滿足功能安全ASIL-D 等級要求。

特斯拉 FSD 芯片為例，F(xiàn)SD 芯片采用 CPU+GPU+ASIC 架構(gòu)。包含 3 個(gè)四核 Cortex-A72 集群，總共 12 個(gè) CPU，運(yùn)行頻率為 2.2 GHz；一個(gè) Mali G71 MP12 GPU 運(yùn)行頻率為 1 GHz、2 個(gè)神經(jīng)處理單元（NPU）以及各種其他硬件加速器。三類傳感器之間分工明確，Cortex-A72 內(nèi)核 CPU 用于通用計(jì)算處理、Mali 內(nèi)核 GPU 用于輕量級后處理，NPU 用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算。GPU 算力達(dá)到 600GFLOPS， NPU 算力達(dá)到 73.73Tops。

?特斯拉FSD 芯片架構(gòu)

自動駕駛域控制器的技術(shù)核心是芯片，其次是軟件和操作系統(tǒng)，短期護(hù)城河是客戶與交付能力。

芯片決定了自動駕駛計(jì)算平臺的算力，設(shè)計(jì)制造難度大，容易成為卡脖子環(huán)節(jié)。高端市場均由國際半導(dǎo)體巨頭英偉達(dá)、Mobileye、德州儀器、恩智浦等把持；在 L2及以下的市場以地平線為代表的國內(nèi)企業(yè)也逐漸獲得客戶的認(rèn)可。中國的域控制器廠商一般都會與一家芯片廠家深度合作，采購芯片，配合自身硬件制造、軟件集成能力交付給整車廠。與芯片企業(yè)的合作一般具有排他性質(zhì)。從芯片合作角度來看，德賽西威綁定英偉達(dá)、中科創(chuàng)達(dá)綁定高通，優(yōu)勢最明顯。國內(nèi)其他自動駕駛域控制器企業(yè)華陽集團(tuán)綁定華為海思、東軟睿馳與恩智浦和地平線建立合作關(guān)系。

?國內(nèi)域控制器企業(yè)與芯片企業(yè)的合作關(guān)系

域控制器的競爭力由上游合作的芯片企業(yè)決定，下游整車廠采購的往往是芯片企業(yè)提供的一整套解決方案。比如蔚來、理想、小鵬的高端車型采購的就是英偉達(dá) Orin 芯片以及英偉達(dá)自動駕駛軟件；極氪和寶馬采購的是芯片企業(yè)Mobileye 的解決方案；長安、長城采購的是地平線的L2 解決方案。我們應(yīng)當(dāng)持續(xù)關(guān)注芯片和域控制器企業(yè)的合作情況。

?芯片企業(yè)產(chǎn)品與車企合作情況

三、 數(shù)據(jù)與算法：數(shù)據(jù)有助于迭代算法，算法質(zhì)量是自動駕駛企業(yè)的核心競爭力

用戶數(shù)據(jù)對于改造自動駕駛系統(tǒng)極其重要。自動駕駛的過程中有一類發(fā)生概率不高的罕見場景，這類場景被叫做 corner case。若感知系統(tǒng)遇到了 corner case 則會帶來嚴(yán)重的安全隱患。例如前幾年發(fā)生的特斯拉的 Autopilot 沒有識別出正在橫穿的白色大卡車，直接從側(cè)面撞上去，導(dǎo)致車主死亡；2022 年 4 月小鵬在開啟自動駕駛的過程中撞上了側(cè)翻在路中間的車輛。

此類問題的解決辦法只有一個(gè)，便是由車企牽頭收集真實(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)在自動駕駛計(jì)算平臺上模擬出更多相似的環(huán)境，讓系統(tǒng)學(xué)習(xí)以便下次更好地處理。一個(gè)典型的例子便是特斯拉的影子模式：通過與人類駕駛員行為進(jìn)行比對，找出潛在的cornercases。而后對這些場景進(jìn)行標(biāo)注，并加入至訓(xùn)練集中。

相應(yīng)的，車企需要建立數(shù)據(jù)處理流程，以便搜集上來的真實(shí)數(shù)據(jù)可以用于模型迭代，同時(shí)迭代后的模型可以實(shí)裝到真實(shí)量產(chǎn)車上。同時(shí)為了大規(guī)模地讓機(jī)器學(xué)習(xí)cornercase，在獲取一個(gè)cornercase 后還會針對這一cornercase 遇到的問題進(jìn)行大規(guī)模模擬，推導(dǎo)出更多的cornercases 系統(tǒng)學(xué)習(xí)。英偉達(dá)應(yīng)用元宇宙技術(shù)開發(fā)的模擬平臺—NvidiaDriveSim 就是模擬系統(tǒng)之一。數(shù)據(jù)領(lǐng)先的企業(yè)會構(gòu)建數(shù)據(jù)護(hù)城河。

常見的數(shù)據(jù)處理流程為：

1） 判斷自動駕駛車輛是否遇到corner case，并上傳

2） 針對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注

3） 使用模擬軟件模擬并創(chuàng)建額外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)

4） 用數(shù)據(jù)迭代更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

5） 通過OTA 的方式將模型部署至真實(shí)車輛

?數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)閉環(huán)的背后依賴超大算力的數(shù)據(jù)中心，根據(jù)英偉達(dá)在 2022CES 上的發(fā)言，投資 L2 輔助駕駛系統(tǒng)的公司只需 1-2000 個(gè) GPU，而開發(fā)完整的 L4 自動駕駛系統(tǒng)公司需要 25000 個(gè)GPU 來搭建數(shù)據(jù)中心。

1、目前特斯拉擁有 3 大計(jì)算中心總計(jì) 11544 個(gè) GPU：自動標(biāo)記計(jì)算中心有 1752 個(gè) A100GPU，其他兩個(gè)用來訓(xùn)練的計(jì)算中心分別有 4032 個(gè)、5760個(gè) A100 GPU；在 2021 AI DAY 發(fā)布的自研DOJO 超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有 3000個(gè) D1芯片，算力高達(dá) 1.1EFLOPS。

2、商湯科技在建的上海超算中心項(xiàng)目規(guī)劃了20000+A100 GPU，全部建成后算力峰值將達(dá)到 3.65EFLPOS (BF16/CFP8)。