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苹果真TMD是个天才

2020-03-20 15:22 点击:18次 手机 数据 EMS

出品| 虎嗅科技组

撰文| 宇多田

从前天到昨天,虎嗅科技组史无前例地进行了两场激烈讨论。而讨论的对象,只是一个苹果新iPad Pro里的零部件。

虽然说苹果新iPad Pro的外形和具体配置,已经被众多数码博主扒的非常到位了。但这不妨碍当我看到下面这张图时,喉咙里的可乐直接从鼻子里喷出来。

是的,在iPad Pro的诸多关键组件中,多了一个叫做“激光雷达”(Lidar)的东西。

对于大多消费级普通用户来说,这个硬件的知名度不是那么高,而且也没必要过多关注。但是对于手机供应链,全球激光雷达(芯片)市场,甚至AR/VR市场来说,苹果的这一次发布,的确是一个不可忽视的信号。

而我这个对自动驾驶异常狂热,又对激光雷达一直较为关注的科技宅,在弄明白苹果把激光雷达塞进iPad里的来龙去脉后,只憋出了一句话:

苹果真太TMD天才了。

如果你了解自动驾驶,或者不了解自动驾驶但经常关注马斯克,那么就应该听说过这个一直混迹小众圈子但却历史悠久的工业配件。

激光雷达测量技术迅猛发展的时期应该是上世纪 80 年代,当时美国国家航空航天局成功将激光雷达探测技术应用于大气海洋监测以及地形测量测绘领域,此后不到十年间,多种类型的激光雷达就已经实现了商用。

因此,作为一项非常成熟的技术,激光雷达创业公司 Sense Photonics 首席执行官 Scott Burroughs 曾公开承认过:“这个市场进入门槛并不高。”

从技术层面来看,激光雷达的核心价值无疑是“可靠且准确的测距能力”与“三维建图能力”。

你可以先把激光雷达的原理想象成一根“激光测距笔”。

工地上的师傅给房屋做测量时,拿着这根笔“咔嚓”往墙上一射,光电打到对面墙上再回来,这一去一回把飞行时间测出来,房屋的宽度(距离)就测的非常准了。

后来有人觉得,既然能测距,那我让这根笔尖旋转起来,飞出飞入无数个光点,那么每个点的位置已知,距离已知,角度又可控,那么点的三维坐标就有了。

因此,三维空间里,如果把这些密密麻麻的点(这个点有个专有名字叫“点云”)通过不同的颜色连接显现出来,就会呈现出一幅三维图像。(看不懂的去补初中数学)

当然,如果割裂这项技术所处的环境,单看这项技术或许不难;但是将其转化为一个完整的产品,或者集成进一个更大的硬件里,却难倒了一大片巨头与创业公司。

我刚才提到马斯克,是因为如果你经常看马斯克的Twitter,就会知道他是一个坚定的“激光雷达无用论”支持者,还骂过“用激光雷达的人就是蠢货”…

这里的激光雷达,指的是车载激光雷达,以昂贵、体积大但却测距与建模精准而著称。谷歌旗下的Waymo、通用Cruise等致力于研发高级别自动驾驶汽车的企业,视其为必不可少的汽车传感器件。

它对于L4级以上自动驾驶到底有多重要?Waymo甚至在去年宣布正式由自己开发激光雷达,目前已经更新到了第五代车载激光雷达技术。

Waymo第五代激光雷达技术让人惊艳,用激光雷达点云做出的,媲美图片清晰度,图片来自公司blog

但马斯克是个卖车的商人,启用一个过万元的零部件简直是天方夜谭。而且大多自动驾驶测试车一开始采用的是机械式激光雷达,内部因有活动部件而有失稳定性,被大部分车厂所唾弃。

因此,众多车载激光雷达创业公司开始寻求通过MEMS、Flash(面阵)、相控阵等不同的技术路径来解决成本、稳定性以及安全性等诸多车厂关心的问题。

他们只有一个目的,就是用低廉且有效的车规产品,打入看起来钱途满满的汽车市场。

不过算盘打到目前为止,宣称研发出可量产固态激光雷达(机械式为非固态,稳定性差)的公司倒是不少,宣称跟车厂联合搞研发测试的也不少,但是真正进入量产阶段,或者被车厂塞进量产车里的消息(大多口径是2021年,怕又是一个flag)却闻所未闻。

技术瓶颈未突破,成本未降,车载激光雷达的买卖从目前来看,仍然龟缩在自动驾驶测试的小圈子里。

另一方面,在车厂也需要拼命保全自己的当下,汽车供应链市场的蛋糕看起来也不是那么诱人了。

苹果究竟天才在哪儿?

以上看起来跟苹果没太大关系。因为用在手机里的,跟放在汽车上的,无论是制作难度还是呈现形式,都不一样。

就像当我们去询问一位国内头部车载激光雷达创业公司对苹果Lidar的看法时,他不屑地表示:“这不就是Flash的激光雷达吗,也不是啥大新闻,就是便宜,距离短。”

Flash,一种结构和光子发射原理有别于机械式与MEMS的固态激光雷达技术路径。简单说,就是它不靠活动的机械部件,而是靠电子部件发出的数字信号来控制激光发射角度。

这种激光雷达的最大优点是内部系统简单,稳定、体积可控以及精度高。

一方面,如果汽车颠来颠去,这种固定电子部件的稳定性更胜一筹。譬如,此前曾有汽车研究院吐槽被安装在工地测试拖车上的机械式激光雷达,因为经常颠簸,损坏频率非常高。

而另一方面,它可以被做成芯片的形式被嵌入进其他硬件里。

但是,这种激光雷达的技术瓶颈也清晰可见,上车的最大障碍,便是“距离问题”。

“Flash激光雷达的探测距离一直达不到自动驾驶汽车的要求,一般超出50米就会受到很多干扰;但机械式的能够探测到150米开外的物体。”一位不具名激光雷达从业者告诉我。

因此,包括LeddarTech、Sense Photonics、Ouster等一众明星激光雷达创业公司都在积极尝试运用不同的技术手段,研发可以过车规的探测距离更长的Flash激光雷达。

尽管从目前的进展来看,以上都不算太成功。

有意思的是,往往在面对某个技术瓶颈的时候,大部分人的思维都是“正向”的——攻克它,战胜它,寻找突破瓶颈的方法。

但是以Flash激光雷达为例,50米开外效果不好,那么在这个限定范围内寻找应用价值点呢?

这便是苹果的天才之处。

当大家还在一门心思往前看的时候,他在向后寻找切入点。

苹果官网iPad Pro关于激光雷达的介绍里,标注了“激光雷达扫可测量周围5米远的物体,在室内和室外都能以纳米级的速度工作”。

限定了距离条件,flash激光雷达有实力在稳定性、成本以及测量精准度上“藐视”其他制式的激光雷达。

纯粹用技术的难度去衡量一个产品的创新价值,是非常荒谬且愚蠢的。更何况苹果的这个激光雷达被集成入手机,并发挥正常效果的过程,一点儿都不容易。

因为苹果的激光雷达采用了DTOF测距技术。

Flash只能说明激光雷达的激光发射形式。要让激光雷达正常测距,需要包括TOF(Time  of Flight,飞行时间)、三角测距以及FMCW(调频连续波)等深度测距技术的加持。

其中,TOF已经成为激光雷达测距应用领域的关键深度传感技术,基本原理就是上面提到的“激光笔”工作流程——

光遇到物体后反射,然后计算光线发射与反射时间差,或相位差。

目前,市面上大部分工业级与车载激光雷达,使用的都是这项测距技术;

而在民用领域,特别是手机行业,集成TOF传感器更不是什么新鲜事儿,甚至早于汽车应用。包括华为、三星在内的诸多手机大厂,都已经在一些机型上的摄像头模组集成了这项技术,提升了分辨率。

而TOF技术又可以划分为iTOF(间接飞行时间)与DTOF(直接飞行时间)。知乎网友“过目不忘的鱼”对这两种技术的差异做了解释:

  • iTOF原理简单,容易集成,但是精度低,功耗大,抗干扰能力相对较差,华为与Vivo的一些机型已经用了;

  • 而DTOF的优点就是补足了前者的劣势,特别是能够让分辨率达到PS级。但工艺复杂,系统集成难度高,目前尚无有消费级硬件商用的案例。

2019年6月,国际图像传感器研讨会上发表的一篇论文显示,ITOF系统除了只能在30米内正常工作外,另一个缺点是,不能同时准确分辨附近的两个物体。

“DTOF可以解决这些问题,但需要集成更为精密的传感器件,兼顾更好的照明控制、数据处理与光学计算能力。”论文指出。

“iTOF其实空间分辨率和距离分辨率都不错,但是功耗大,而DTOF则可以把功耗这一关键指标降到很低。” 激光雷达芯片创业公司飞芯电子CEO雷述宇做了补充,

“集成在DTOF传感器中的一个重要器件——单光子雪崩二极管(SPAD)需要在一个电压被严格控制的数值区间里才能工作。工艺上面,把握火候很难,但很关键。”

而现在,我们可以默认,苹果是第一个将DTOF技术商用化的消费级硬件公司。

产业风向标?一切未明

在苹果推出这款带有激光雷达的iPad Pro后,已经有嗅觉敏锐的激光雷达企业开始搜集相关资料并展开了研究讨论。

据Livox推测,根据目前已经披露的信息,iPad中的激光雷达很有可能是以硬件模块的形式实现的,应该是较为主流的Flash+DTOF方案,当然,也加入了一些更为先进的工艺。

“这类方案有个缺陷是会受到室外强光的干扰,但是根据苹果‘可户外使用’的介绍,他们可能提高了SiPM光电传感器的动态范围以适应户外的强光。”

当然,也有前激光雷达行业人士表示,这个零部件具有一定的原创性,应该是芯片级产品,有很强的技术壁垒。

“虽然激光雷达原理不会有太大突破,但产品的推出是从粗放走向精细化的一个过程。

这玩意儿工艺绝对不好做,有很多工艺细节和设计窍门需要考虑,能嵌入进苹果产品的雷达芯片证明细节处理的非常好。”

因此他猜测,相关供应商一开始就是瞄着手机去做的,开发时间不会短于一年。“很可能是苹果跟现在主流芯片供应商联合设计的”。

虽然我们尚不清楚这枚激光雷达究竟出自谁之手,但Flash激光雷达一些关键器件的供应商则有迹可循,譬如垂直腔面发射激光器(VCSEL)与SiPM光电传感器。

面向苹果供货的VCSEL厂商有艾迈斯(AMS)等企业,最值得注意的是,AMS在2019年9月边推出了全球体积最小的用于测量直接飞行时间(dToF)距离的集成式模块——TMF8801。

而SiPM光电传感器生产商,则以Sony等企业为代表

然而,一家激光雷达创业公司对“苹果的举动能否再次成为一个产业链风向标”这个判断呈悲观态度。

因为一方面,“难度不在于技术,而在于使用端配合研发的深度”,另一方面,目前由于苹果又是第一个吃螃蟹的人,所以无从知晓消费者体验端的感受。

“这不是一个单纯的闭环,激光雷达要与苹果的镜头、A12Z芯片,以及一系列视觉算法融合得恰到好处,还要考虑到产能以及装配精度……万一消费端最后不接受,效果不行,也白搭。”

但也有低调的创业公司从2017年就开始研发这类Flash激光雷达探测芯片,已经接到了相关订单。飞芯科技已经接受了两轮博世投资,CEO雷述宇向我们透露:“我们正在给车厂和手机做iTOF,下半年将给手机做DTOF。”

说到消费端,苹果使用激光雷达的目的已经在官网上写的很清楚——

更精准的测距和更高分辨率的成像,让iPad上的AR 体验有一个全新的等级。并配合苹果在近年来大力推广的AR开发平台ARKit,希望能在AR领域打开一个新的市场。

不过,鉴于苹果虽然强推AR,但这几年没有什么亮眼的成绩,我们对这次能否给AR/VR市场带来新变化持保留意见。

当然,假如使用激光雷达后,真的能让AR应用成功走下桌面,进入更广阔的空间,那么未来相关产业链可能会发生一个颠覆性变化。

美国电子与电器工程协会在2019年12月发表的一篇论文就重点提到,很多消费级应用,譬如游戏、AR与VR等人机交互场景,本就建立在对图像进行密集处理的能力上。

但随着数据量级的增加,手机等消费级硬件采用的结构光与三角测量技术,在数据处理速度、分辨率以及抗干扰方面有着可见的局限性。

“DTOF有解决这些问题的很大潜力。”

此外,就像2017年iPhoneX的Face ID带火了一众结构光三维传感器企业一样,这次Flash+DTOF技术的启用,除了让竞品们闻风而动,也许能提供给Flash激光雷达芯片公司一些拓展行业的机会,以及走出瓶颈的创新模式。

毕竟,把旧技术用出新价值,更值得被尊称一句“创新大师”。

“其实对三维感知传感器市场,这是一个振奋人心的好消息,各种技术的碰撞或许能够催生更多的新idea,也可以带动模块化激光雷达的市场发展。” Livox看好激光雷达进入苹果供应链所带来的产业变化。

苹果使用激光雷达这件事情,让我想起去年华为要制造激光雷达的各种明暗风声。当时思维局限于“车载”这个场景,但现在一想,看来还是思考的不够全面。