固态激光雷达何时来，SPAD-SoC芯片说了算！

激光雷达（LiDAR）被誉为“机器之眼”，是智能驾驶中负责“感知”的重要传感器。与摄像头一类被动式传感器不同，激光雷达通过发射脉冲激光并探测目标的散射光特性获取目标的深度信息，具备3D成像能力、探测精度更高、探测距离更远，且适合夜晚、强光、隧道光等corner case场景，这些特性让激光雷达在应对复杂路况时更加游刃有余，有效将自动驾驶安全性提升至99.99%，相当于L3时代的“安全气囊”，随着L2+城市NOA的逐渐落地，激光雷达成为了高阶自动驾驶的“标配”。

▲汽车主流传感器对比（图片来源：和高整理）

激光雷达的发展方向目前已经达成共识，基于大面阵SPAD探测器+垂直腔表面发射激光器（VCSEL）阵列的纯固态激光雷达成为主流发展方向。纯固态激光雷达相比于混合固态和机械式激光雷达优势显著。

①更高的可靠性和稳定性

纯固态激光雷达采用电光调制器实现激光束的扫描，不需要任何机械部件，避免了机械部件的磨损、寿命限制等问题，具有更高的可靠性和稳定性。

②更高的扫描速度和精度

芯片架构大幅提高激光数量，实现全数字化处理，带来的是扫描速度和精度的大幅提升，并且提高了信号的分辨能力和解析力，减少了数据失真，也减少了分立芯片间的带宽和延迟限制。

③更小的尺寸和重量

纯固态激光雷达不需要机械部件，可以实现更小的尺寸和重量，方便在车载、机载等应用场景中使用。

④更低的成本

由于采用了成熟的CMOS工艺和高度集成化的芯片设计，纯固态激光雷达在批量生产过程中可以实现成本的显著降低。

⑤更低的功耗和发热量

纯固态激光雷达采用电光调制器实现激光扫描，功耗和发热量都较低，能够更好地适应嵌入式、移动设备、车载等低功耗应用场景及散热处理。

作为纯固态激光雷达的核心部件——SPAD芯片具有定义整机系统性能上限的战略意义。

▲禾赛全固态FT120爆炸图

单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)是一种具有单光子探测能力的光电器件，能够用光速实现距离测量，达到微秒级测量时间及亚毫米测量精度，同时它能以光子计数的方式进行图像采集，实现夜视成像或高速成像，是新一代单光子感知芯片的核心器件。    

SPAD的工作原理是采用反向偏压的光电二极管，使其工作在超过击穿电压而尚未击穿的很小的一个电压范围内，此时的二极管处在非常敏感的工作区间，因此只要有微弱的光信号即可引发其产生雪崩电流，相应速度极快。SPAD在响应光子后，不能自发的停止雪崩，需要将偏压降到击穿电压以下，以响应下一个光子，在过程中还需要降低工作温度，以减少热噪声造成的暗计数。

▲SPAD工作原理

SPAD具有高增益、高灵敏度、高动态范围、高可靠性、数字信号输出、硅基CMOS工艺易集成等优势，有助于固态激光雷达实现高度集成和小体积，以较低的功耗实现看得又远、又快、又准，大大降低其成本，这样的优势使其在探测领域具有明显的竞争力。

SPAD产品形态分为单点、线阵和大面阵这几种主流形态。过去消费电子主要采用单点或线阵方案，SPAD只需要完成光信号的原始数据采集，信号处理交给外部处理器，然而车载领域，激光雷达对高分辨率、远探测距离、低信噪比的要求使得感知器件需要进一步升级，像元数量达到百万级，与此同时，其产生的数据量是消费级的千倍甚至万倍以上，达到TB每秒的量级，目前的车载网络的带宽远远不够处理如此大的数据量，所以，SPAD产生的数据必须在“本地”芯片自行处理后，再把提取出来的距离和信号特征信息传输给域控制器，这无疑对数据采集和处理端都提出了很高的要求，实现难度大幅提升，只有大面阵SPAD芯片才能满足要求。由此，为车载激光雷达应运而生的大面阵SPAD芯片应运而生。

大面阵SPAD芯片是集感、存、算为一体的系统级SoC芯片。结构分为上下结构，上层为单光子像素阵列（SPAD Pixel），下层为读出电路（Readout circuit），即包含了高精数字时间采样模块（TDC）、单光子测距引擎（TCSPC）、专用数字信号处理器（DSP）、激光雷达控制中心（MCU）等关键模块。SPAD上下层通过3D堆叠工艺相连，使得各模块间的数据传输不受分立芯片间的带宽和延迟限制，是真正的芯片级的方案。    

▲识光大面阵SPAD-SoC结构图

大面阵SPAD-SoC芯片可以直接进行数字信号处理。首先，SPAD Pixel会对多脉冲光子信号进行高灵敏度的探测，前端电路将电流信号转为成数字信号，即0或1，这个数字信号是非同步的，这时，TDC发挥计时器的功能，对这个信号进行时间采样，观测光子打过去弹回来的时间，再运用TCSPC将单个光子通过多次测量累加后构建数据（飞行时间或者强度）直方图，直方图经过DSP中的测距算法处理，有效解决探测过程中同步、滤波、寻峰、降噪、补偿等问题，最终得到有关距离、信号强度等关键信息，轻松输出深度图像。

▲传统激光雷达传感器点云图（左）SPAD传感器点云图（右）

APD（雪崩二极管）、SPAD（单光子雪崩二极管）和SiPM（硅光电倍增管，由多个带有猝灭电阻的SPAD并联组成）是目前的三种主要激光雷达探测器。与传统的基于SiPM或者APD的激光雷达架构相比，SPAD一颗芯片就替代了以往SiPM光电前端→放大链路→模数转换→数字信号处理的绝大多数分立元器件，大大简化了架构复杂度，尺寸大幅缩小；同时，SPAD实现了直接数字信号处理，具有更高的抗干扰能力和处理效率；另外，得益于核心距离信息获取在SPAD-SoC上完成，后端仅需配备一颗超低算力的处理器即可完成激光雷达所有的信号处理，激光雷达整机的开发难度和成本都得到了大幅下降，对激光雷达行业而言是颠覆性的重大利好。

▲APD、SiPM和SPAD-SoC面阵的架构差异（图片来源：九章智驾）

目前，全球首个车载大面阵SPAD芯片是索尼于2021年9月发布的IMX459，直到2023年才正式量产，耗时整整两年面市，足见其难度。其表面感光区域为113400个SPAD像素(189(H)x600(V))，Bining 3×3 SPAD的配置后构成一个宏像素（Binning是一种图像读出模式，将相邻的像元中感应的电荷被加在一起，以一个像素的模式读出），宏像素是芯片的最小分辨率单位，因此IMX459实际分辨率为63x200约12K。尽管IMX459作为初代车载SPAD芯片分辨率相当有限，部分国产芯片厂商也已刷新该指标，但纵观当前市场，真正将SPAD做到量产并上车的，仅索尼一家，目前主要搭载在华为和一径激光雷达上。

▲IMX459芯片参数

索尼IMX459通过铜-铜（Cu-Cu）连接堆叠了SPAD像素芯片（上层）和搭载了信号处理电路的逻辑芯片（下层），可导通每一个像素，其中顶部芯片使用90nm的背照式工艺实现，底部芯片使用40nm 1AI-10cu工艺。通过在像素层的下方部署电路层，确保开口率（注：从每个像素的光入射面侧看的开口部分（遮光部以外）的比例。开口部分越宽，检测率越高）的同时，实现SPAD微小的10μm像素尺寸。此外，还在像素方面进行了如下优化。

①在光入射面上设置凹凸，通过让入射光衍射来提高吸光率。

②通过优化像素内雪崩区域的设计，有效地产生倍增现象。

得益于上述索尼自研的像素结构，在目前广泛普及的940nm波长的智能手机激光光源下，该图像传感器实现了领先的光子探测率，为28%。能够高精度测距，同时减少系统整体的耗电量。

▲IMX459芯片结构

SPAD光电探测器上游主要为各类半导体原料，根据光电二极管波长从紫外区、可见光区直到近红外光区的覆盖范围有元素半导体Si、Ge及磷化铟（InP）、铟镓砷（InGaAs）、铟镓砷磷（InGaAsP） 等不同种类三五族元素；中游为光电探测器研发及生产企业，比如滨淞、索尼、ON Semiconductor等国外企业，识光、阜时科技、灵明光子等国内企业；下游应用领域包括消费电子、工业、航空航天、国防、医疗行业等，其中汽车激光雷达应用最为广泛。

▲探测器芯片产业链（图片来源：和高整理）

从激光雷达上车元年2022年起，中国市场激光雷达装车量经历了从12万到57万到2024年有望突破150万的三连跳，同比增长达160%，2024年Q1激光雷达渗透率已经突破5%。激光雷达加速上车的背后是L2级驾驶辅助渗透率快速提升，城市NOA的大范围落地，以及高阶自动驾驶相关政策的出台的助力。未来进入L3时代，激光雷达的重要性将更加凸显，以萝卜快跑为例，单车即搭载了4个激光雷达，激光雷达渗透率有望进一步提升。

SPAD作为全新的激光雷达探测器，大幅提高了激光雷达的探测效率和分辨率，也大大加强了内部集成度，从而提升激光雷达的性价比。此外，SPAD也催生出了新的激光雷达品类——补盲激光雷达。

▲亮道补盲雷达

补盲激光雷达主要负责的是近车身的感知空间的覆盖，为自动驾驶车辆提供更为精准的车身周围障碍物和空间感知能力，可以覆盖20-50米近距离，垂直视场角少要达到75°，帧率超过20Hz，角分辨率需要达到0.5°，主打看得近，看的广，看的快，看得清，有效解决长距主LiDAR直接作侧向雷达成本高昂和视场角小的问题。    

▲补盲激光雷达的应用场景（图片来源：禾赛官网）

当前激光雷达公司陆续发布基于VCSEL+SPAD架构的纯固态Flash补盲激光雷达，受制于SPAD芯片的量产进度，2025年有望成为补盲雷达上车的元年。未来车企将采用前向激光雷达+补盲激光雷达的硬件配置，L3级别预计配置“1主1-2补”，L4/5级别预计配置“1主3-4补”，可以实现360°全域无盲区感知，补盲雷达的上车将进一步带动SPAD的市场应用。

▲现有补盲激光雷达产品（图片来源：和高整理）

▲激光雷达整车配置（图片来源：速腾官网）

在激光雷达加速规模化量产的主导下，整机价格迎来持续下调，2023年单颗长距激光雷达已经降至3000元以内。随着搭载SPAD的激光雷达面市，主雷达有望降到200美元以内，补盲雷达降到70美元以内，“加量不加价”的方案有望让激光雷达飞入寻常百姓家。目前激光雷达车型价格区间已下探至20-30万元价格带（包括小米、智己LS6/L7、极氪001&007等），未来将在 15万元以下的大众消费市场迎来更大的机遇，预计2030年全球激光雷达市场渗透率将达到40%，主雷达达到3940万颗，补盲雷达达到7880万颗，总市场规模达到946亿元人民币。

激光雷达产业虽起步于欧美市场，知名企业包括 Velodyne、Luminar、Aeva、Ouster、Valeo、Innoviz、Ibeo 等，但在中国激光雷达公司后浪的猛烈追赶下，2022年，曾经的全球激光雷达巨头 Velodyne 和 Ouster 确认合并，Ibeo、Quanergy 相继宣布破产，而国内激光雷达厂商在政策支持和市场需求双重驱动下快速发展，代表企业包括禾赛科技、速腾科技、图达通、华为、大疆览沃、亮道、万集科技等，2023年，中国激光雷达厂商合力拿下了全球84%的市场，这一比例还将持续提升。随着激光雷达芯片化、数字化、固态化发展，激光雷达的技术门槛将大幅降低，其他Tier1有望进入这一领域。

2021年全球光探测芯片市场规模达45.6亿美元，同比2020年增长近14%。随着国内汽车智能化趋势、视频成像等领域加速布局扩张，预计光探测芯片经保持稳步增长态势，2025年可达66.7亿美元。2021年探测器芯片PIN、APD发展较为成熟，占比超90%，SiPM仅为1.25亿美元，此时SPAD的市占率几乎为零，随着2023年SPAD正式上车，SPAD市场迎来迅猛增长，2027年SPAD市场规模预计达到21.39亿美元，在光芯片市场占比26.46%，复合增长率超过200%。    

▲全球光芯片市场规模（图片来源：Gartner，和高测算）

SPAD芯片主要应用市场包括自动驾驶、消费电子（智能手机&XR）、扫地机器人、工业自动化等场景，2030年中国SPAD芯片市场销售总额将超过100亿元，全球SPAD芯片市场销售总额将超过300亿元，其中自动驾驶的车载领域是最大的应用市场。

▲中国及全球SPAD芯片市场规模（按应用分类）（图片来源：和高测算）

根据禾赛、速腾、图达通、一径、探维、亮道等头部激光雷达企业陆续发布的固态激光雷达计划看，2030年SPAD的渗透率预计达到80%，全球车载SPAD芯片市场规模达到142亿，占SPAD总应用的47.3%。

海外巨头Sony（索尼）、ON Semiconductor（安森美）、Hamamatsu（滨松）最先进入光芯片领域，实现从PD、APD到SiPM的全覆盖，但在车载SPAD芯片上，除了索尼SPAD IMX459相对成熟，其他公司产品进度缓慢。

除了独立的芯片厂商外，全球首个纯固态Flash激光雷达公司——OUSTER也拥有独立的SPAD芯片研发能力，他们也是第一家将高性能SPAD和VCSEL方案商业化的公司，可惜目前Ouster的SPAD芯片仅支持自用，不支持对外销售。

▲海外厂商SPAD芯片布局情况（图片来源：和高整理）

尽管国内厂商在SPAD芯片起步稍晚，但近几年市场涌现了不少后起之秀，优秀企业如灵明光子、阜时科技、南京芯视界、识光等都纷纷推出了高分辨率的激光雷达SPAD阵列芯片。

（1）灵明光子

灵明光子成立于2018年5月，公司由毕业于斯坦福大学和荷兰代尔夫特理工大学的四位海归博士共同创立，公司总人数超过120人。公司过去主要面向消费电子研发生产dToF成像芯片，2020年公司全面转型车载激光雷达市场，2021年公司成功完成首次 3D 堆叠芯片流片，发布了单点及1x16两种规格的硅光子倍增管 SiPM产品，目前公司以SiPM芯片出货为主，2023年SiPM产品出货达300万颗以上，已与禾赛、速腾等公司形成合作。

2023年8月，灵明光子正式发布面向纯固态激光雷达的 SPADIS 面阵型 ADS6311 芯片，ADS6311 芯片芯片感光区域配备了768x576（44万）个 SPAD像素，每3x3个 SPAD 组成一个超像素，从而实现了256x192（约5万）的点云分辨率。该芯片可以兼备远视与补盲避障的功能，长焦镜头下，远距离可以探测到150米以上，近距离50米和70米的汽车和行人障碍物清晰可见。    

▲灵明光子 ADS6311 Hawk demo3.0现场展示的点云图

（2）阜时科技

阜时科技于2017年成立于深圳，专注光电传感器芯片设计与产品开发。目前团队已有200多人，研发人员超150人，由深圳市地方级领军人才和多位深圳市海外高层次人才领衔。目前已经形成了激光雷达SPAD、3D视觉模组两条成熟产品线。2019年，阜时科技在完成3D结构光和双目的前期研发后，组建内部研究院，布局激光雷达芯片研发；2021年单点SPAD芯片投片成功；2022年，接到多家车企激光雷达厂商的定制合同，激光雷达接收传感芯片正式通过AEC-Q102车规国际标准认证，并开始小批量供货SiPM芯片。

2023年8月，阜时科技发布全球首款高分辨率大面阵SPAD芯片FL6031，FL6031采用当前最精细的SPAD元器件，灵活Binning，组成了感光区域的360 x150个像素，分辨率超过50K。基于FL6031的全固态flash激光雷达，分辨率高，视场角大，测距远，抗干扰能力强。可以在100K Lux @10%反射率下实现30米测距，满足绝大部分场景下的避障需求。

当前阜时的客户结构以3D视觉的消费电子客户为主，SiPM和SPAD产品主要供应给商用车、低速无人车、机器人、工业等客户，尚未进入乘用车前装市场。

▲FL6031现场展示的点云

（3）芯视界

芯视界微电子成立于2018年，总部位于南京，公司目前150人左右。芯视界拥有完善的产品矩阵，已经完成了数十款芯片的自主研发，包括1D dToF和3D dToF 两个主流方向，兼顾落地性与延伸性，可提供满足不同场景的深度探测传感完整解决方案，产品已广泛应用于扫地机、无人机和手机等诸多消费类电子领域，以及AR/VR、智能家居、工业自动化和自动驾驶激光雷达等应用终端。    

公司以消费电子市场起家，是全球市场率先将SPAD dToF技术应用实现量产出货的芯片公司，其1D dToF的产品出货给顶级手机客户，开创了国内市场先河，其BSI 3D dToF芯片被另一个顶级品牌旗舰手机成功搭载，芯视界成为全球率先实现3D dToF芯片在安卓手机上落地应用的企业。

目前芯视界的车规级产品已推出VCSEL激光发射驱动车载芯片和全固态激光雷达接收芯片，并已陆续进入产品验证阶段，公司的商业化进程也将实现从基本的光传感类应用，到机器的3D视觉各个领域的拓展。

（4）识光

识光是一家激光雷达芯片综合解决方案商，致力于用芯片重新定义激光雷达，为自动驾驶、机器人、XR等终端应用市场提供SPAD-SoC芯片和dToF三维感知解决方案，覆盖点线面，短中长距等不同配置，满足不同应用场景需求。

识光拥有全球罕有的车规级面阵SPAD-SoC芯片量产经验，在一众从消费转汽车的光芯片厂商中，汽车激光雷达公司背景出身的识光尤为引人注目。识光创始人曾主导了车载大面阵SPAD-SoC芯片在全球范围内的首次商业化量产，核心成员来自于顶尖硅谷芯片研发团队或国际权威科研机构，曾参与各类AI级算力芯片项目的研发，拥有从核心器件、模拟、数字、算法到系统的全栈自主研发能力。

▲识光团队接受央视采访

作为VCSEL+SPAD激光雷达技术路线的先行者，识光形成了独有的从激光雷达系统视角定义并优化SPAD-SoC芯片架构的能力，攻克了高集成度芯片在激光雷达领域落地的技术关卡。

通常，一款芯片从设计到完成流片，至少需12个月左右，识光在成立4个月后即完成第一颗芯片单点SPAD-SoC SK100的交付，并且实现一次流片成功、一次点亮，公司成立2年内完成四颗芯片的流片并一次性点亮，大大缩短开发时间的同时实现性能、效率和成本的最优解，使激光雷达的全面普及成为可能。    

目前公司两款SPAD-SoC已进入商务阶段，一款是服务消费电子、工业场景的单点SPAD-SoC SK100；另一款是旗舰版车载大面阵SPAD-SoC SQ100，SQ100 的 SPAD 分辨率为 768 (H) x 576 (V)，具有 3x3，6x6，3xn 等多种 binning 方式，探测距离最长可达300米，也是市场唯一真正实现灵活分区的 2D 可寻址 SPAD-SoC，性能远超索尼IMX-459。

▲识光 SPAD-SoC SQ100 芯片参数

真2D可寻址，超灵活分区：SPAD-SoC SQ100在垂直方向可按照4/8/16个像素进行分区，在水平方向可按照8/16/32/48/64/···/256个像素进行分区，并真正解决行业长期面临的“高反污染”（Blooming）问题，还能保持高帧率和远测距能力，扫清了 VCSEL+SPAD 量产路线上最重要的性能阻碍。

▲测试环境，右侧为高反板特写

▲现有 1D 分区扫描方案实测点云：高反板所在的整个横向 1D 分区发生高反污染

▲识光 2D 分区扫描方案实测点云：仅高反板覆盖到的 2D 分区发生高反污染

▲最终点云效果

卫星方案：SQ100领先的集成度，为行业激光雷达/自动驾驶解决方案开辟了一个 0-1 的新路径：无需 FPGA/MCU，SQ100 SPAD-SoC 即可对激光雷达数据进行片上处理并直接传输给域控，实现算力上移，由域控进行多传感器数据的集中化处理。SQ100 还集成了激光雷达控制中心（Lidar Controlling Master，LCM），内有发射模组、机械结构、温度、清洗、除雾等控制模块，仅 SQ100 单个芯片便可提供激光雷达系统功能。    

▲卫星方案示意图

随着国内企业在SPAD领域不断攻坚克难，我们满怀期待，国产的车载大面阵SPAD-SoC终将登陆更多车载激光雷达，助力全行业激光雷达降本增效，推动固态激光雷达大规模上车，助力自动驾驶的春天真正到来。

一是更大规模的SPAD阵列和更高的集成度发展，以实现更好的探测效果和更可靠的性能。SPAD阵列规模发展受制于器件设计和工艺，更小的像素尺寸和间距带来分辨率提升的同时，也会形成更大的串扰和抖动，需要通过器件设计在不同参数中寻找到最佳平衡；另外背照式感知层和逻辑层之间3D堆叠的铜-铜互连、混合键合，以及逻辑制程选择等问题均需要与代工厂紧密配合，最终才能实现单芯片方案，需要拥有丰富经验的团队操刀。

二是在SPAD-SoC芯片上完成数字化处理和高性能的片上算法，简化激光雷达的后端处理。车载高性能激光雷达SPAD-SoC可以直接输出数字信号，并且每秒产生的原始数据达到TB每秒的量级，需要片上算法直接处理，算法能够有效抑制环境光噪声，提高系统的抗干扰能力，得益于核心距离信息获取在SPAD-SoC已经完成，后端仅需配备一颗超低算力的处理器即可完成激光雷达所有的信号处理。

三是2D寻址将成为主要扫描方式，SPAD-SoC需要支持2D寻址。全固态激光雷达分为1D寻址与2D寻址。1D寻址即只在X轴这个方向上扫描，2D寻址即可在X轴和Y轴两个方向上扫描，相较于1D寻址， 2D寻址扫描分区可以更小，同一分区内不同像素通道间的串扰影响更低，行业里公认2D寻址是解决激光雷达“高反污染”问题的最佳方案。1D寻址的接收芯片中数据的流向是固定的，就是跟分区长边垂直的方向；但2D寻址的SPAD-SoC需要数据流同时流向X和Y两个方向，并且要灵活处理期间的穿插和重叠，是一个非常大的挑战。    

四是SPAD-SoC芯片不止成像，支持多种数据模式输出：基于SPAD的无穷大增益和单光子检测能力，SPAD-SoC还将具备高速和暗光成像等特点，因而可对道路上快速移动、突然出现的物体进行实时探测，确保夜晚行驶的安全性。同时，SPAD芯片可以输出2D和3D数据，它无需搭配摄像头、无需对数据做后处理即可实时输出固定分辨率的深度图像、信号图像和环境图像，未来甚至可以替代部分低端摄像头的存在。

和高资本认为，激光雷达作为智能驾驶的核心传感器之一，未来不仅局限于基础的探测和测距，还将融合更多智能应用，显著提升自动驾驶的安全性和可靠性，在自动驾驶生态位有着不可替代性。激光雷达的降本增效需要核心传感器企业的支持，SPAD-SoC芯片的出现让我们看到了希望。SPAD芯片增益高、精准度高、可完美兼容 CMOS 硅基工艺平台等特性，极大拓展了激光雷达的探测距离，同时满足小尺寸、低功耗、低成本的需求，有望将激光雷达价格打到千元以内。

我们认为SPAD激光雷达距离规模上车仍有1年左右的窗口期，极高的技术壁垒和量产难度是目前SPAD芯片迟迟没有形成国产替代的关键。那些具备成熟SPAD性能设计和工艺水平，能有效解决包括BSI设计、电路设计、像素小型化、3D堆叠、2D寻址的问题，从而在点云数量、PDE、恢复时间、温漂系数、像素尺寸、分辨率、探测距离、FOV等关键指标获得更好的表现，并且有过车规级芯片研发量产经验，与下游客户形成深度合作关系的SPAD芯片公司有望优先获得上车的入场券，他们也将为固态激光雷达的到来贡献举足轻重的力量。

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和衷同道  高山景行

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