Come Sony può cambiare tutto con un solo sensore

L’auto autonoma e intelligente non uscirà magicamente dal cilindro. Risulterà in molte innovazioni che gli daranno “sensi” per vedere, ascoltare e capire. Invece di occhi, orecchie e cervello, componenti elettronici. Diversi attori tecnologici sono in lizza per le quote in questo mercato emergente, che si tratti di Intel o Nvidia. Ma ciò che è ancora più sorprendente è che ci sono altri attori in lizza. È il caso di Sony, con il suo nuovo sensore di immagine, che risponde al bel nome dell’IMX459.
Un elemento di un nuovo tipo che dovrebbe abbassare notevolmente il prezzo delle auto Lidar, un prerequisito che ora sappiamo essere necessario per democratizzare l’auto del futuro.

Converti un singolo fotone in informazioni tangibili

Nelle nostre rubriche si leggono spesso notizie e test sulla fotografia che menzionano i sensori “IMX” di Sony, il che ha senso visto che l’ingegnere elettronico giapponese è il numero 1 mondiale nei sensori di immagine.
Tuttavia, sebbene invochi un linguaggio e una tecnologia di cui ho sentito parlare, l’IMX459 è molto diverso dai sensori di immagine CMOS che si trovano nelle fotocamere e in altri smartphone.

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Non è un sensore che cerca di percepire il mondo a modo nostro, ma un sensore di tipo SPAD: un singolo diodo fotonico (la valanga fotonica interagisce con un singolo fotone). Di tipo “a tempo di volo”, questo sensore è accoppiato ad un emettitore di luce laser.
Sincronizzando l’emettitore di luce laser e il sensore di immagine, il sistema può misurare la distanza degli oggetti con elevata precisione dimezzando il tempo di viaggio dei fotoni. Rispetto ai sensori ToF dei nostri smartphone o tablet, IMX459 è molto complesso e molto sensibile.

Da un lato, il sensore include 100.000 fotodiodi, quando il primo lidar ne includeva solo uno. Si tratta invece di “pixel” di tipo SPAD, cioè fotodiodi le cui instabilità estreme consentono loro di interagire in modo notevole. Un segnale di un singolo fotone da un laser pulsato genera un segnale un milione di volte più intenso.
In breve: non è necessario inviare un laser ad alta intensità per spazzare il paesaggio. L’elevata densità di pixel (relativa al suo campo) e l’estrema sensibilità consentono di ridurre le dimensioni e la potenza del laser di accompagnamento, abbassando così il costo del sistema.

0.1 Mpix: Una grande definizione… nel mondo dei Lidar!

L’IMX 459 è un sensore da 579 x 168 pixel, o circa 0,1 mega-pixel. Definizione molto bassa per le foto delle tue vacanze, ma sufficiente per l’applicazione di destinazione. Meglio, questo basso profilo è essenziale per il suo corretto funzionamento, perché sarà coinvolto nella sicurezza dei veicoli, deve andare veloce.
Da un punto di vista fisico, sta andando davvero molto veloce, perché ciascuno dei fotodiodi – che operano indipendentemente l’uno dall’altro – ha un tempo di reazione di 6 nanosecondi (6 miliardesimi di secondo, quindi sì, davvero molto veloce).

Ma poi questo segnale deve essere elaborato e interpretato.

« L’attuale definizione è ampiamente sufficiente per il rilevamento del blocco e la sua velocità e il volume dei dati è calibrato in modo da non saturare i processori con informazioni non necessarie » spiega Robert Kallmann, responsabile dei team di vendita e marketing di Sony per il mercato automobilistico europeo.

Qui siamo nel mondo automobilistico e non nel mondo dei fanatici della frequenza dei processori.

« Non abbiamo bisogno di costruire un’immagine completa della scena, ma abbiamo bisogno di fare riferimento a quella scena. Ciò che è importante sono gli angoli di visione e la precisione a lungo raggio: dobbiamo coprire un angolo orizzontale di 120 °, una copertura verticale di 90 ° e una precisione di 10-15 cm a 200 metri ‘, lui spiega.

Infine, se questa definizione di 0.1 Mpix è debole nel mondo dei sensori di immagine, è un record nel mondo dei Lidar SPAD. Per fare un confronto, il sensore ToF dell’iPad Pro ha solo 10.000 pixel effettivi a 3 o 4 metri. Qui è dieci volte la definizione e cinquanta volte la distanza.

La sicurezza prima di tutto

Questa padronanza del mercato di riferimento ei vincoli imposti dal pericolosissimo mondo automobilistico si fanno sentire anche nel processo produttivo. Mentre Apple e altri lottano per produrre i propri chip a 5 nm – TSMC sta già preparando 3 nm per il prossimo anno – questo sensore di fascia alta viene prodotto a … 40 nm.

« Non siamo nel mercato degli smartphone dove i guasti sono tollerati, dove è possibile sostituire un prodotto difettoso con un altro entro poche ore, e dove è accettabile cambiare hardware dopo due o tre anni. Quando acquisti un’auto, i semiconduttori all’interno dovrebbero funzionare ancora bene 15 anni dopo che sono stati acquistati e si sono rotti (che può portare alla morte, ndr) Insopportabile. Questo è il motivo per cui i nostri standard molto elevati, come gli standard di test della temperatura di esercizio, ci impediscono di utilizzare processi di produzione avanzati fino a quando non siamo completamente qualificati.spiega Robert Kalman.

E quando si parla di standard, qui Robert Kalman si riferisce in particolare alla ISO 26262, che disciplina i componenti elettronici delle auto e dove i chip, in particolare, devono resistere a notevoli sbalzi di temperatura.

« Il sensore è qualificato per resistere a temperature massime di 150°C e più di 1.000 ore di funzionamento a 120°C, il tutto senza margine di errore. Il sensore del tipo di veicolo dovrebbe funzionare allo stesso modo tra 15 anni Promet, Robert Kalman.

Quindi i 100 milioni di pixel e altri pattern a 3 nm sono ben lontani dai problemi di sicurezza e affidabilità richiesti dal mondo automobilistico.

Sony sfrutta le proprie tecnologie consumer

Sulla carta, i vari sensori che Sony ha recentemente annunciato mostrano il predominio dei giapponesi in questo segmento, che si tratti di un sensore di immagine, di un sensore del tempo di volo (SPAD o altro), o addirittura di un sensore EVS.
Il dominio sta nella sua capacità di produrre. Per andare molto velocemente nella lettura delle informazioni, l’IMX 459 è costruito sul modello dei cosiddetti “sensori stack”, dove la memoria è integrata direttamente nel retro del sensore.

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Un processo chiamato Exmor RS nel linguaggio dei sensori dei consumatori, che abbiamo visto per la prima volta sui sensori degli smartphone. dal 2012 Che Sony sta iniziando a sperimentare questa tecnologia su questi sensori più piccoli, e quindi offre buone capacità di test (i rendimenti di produzione sono migliori su sensori piccoli che su sensori grandi).
Quindi, una volta che il processo è stato padroneggiato nel mondo degli smartphone, Sony lo ha implementato sul sensore da 1 pollice, che abbiamo trovato nei loro accordi di esperti di RX100 Mark IV. Poi aumenta di dimensioni Anche il sensore full frame dell’Alpha A9/ A9 Mark II, la sua fotocamera ibrida con sensore 24×36.

Infine, una volta che il metodo di produzione è stato convalidato da diversi anni di presenza nei prodotti di consumo, Sony è ora in procinto di integrarlo in un prodotto “professionale” come questo IMX 459.
Stessa storia per quanto riguarda la tecnologia di produzione dei circuiti, i legami rame-rame (Cu-Cu), che è stata validata per la prima volta in più prodotti di consumo.

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Questa padronanza dei processi di fabbricazione avanzati è senza dubbio ciò che conferisce a questo sensore un altro vantaggio tecnologico: la sua efficienza nel rilevare i fotoni della radiazione laser emessa.
Mentre il mondo degli SPAD è iniziato con i Lidar che recuperavano solo l’1% dei fotoni e attualmente raggiungono il 18% dei fotoni rilevati, l’IMX 459 è il 30% più efficiente con il 24% in più di fotoni rilevati. Il tutto con una definizione standard, un ingombro ridotto, … e un prezzo mai visto prima.

Sistemi Lidar a soli $ 500?

“Il primo lidar è costato circa $ 75.000, il prezzo di un’auto di lusso, che lo ha reso così irraggiungibile”, dice r. Kalman.

Con l’IMX 459, Sony promette hardware incredibilmente meno costoso.

« Se dovessimo commercializzare un toolkit lidar completo per far valutare la nostra tecnologia dai nostri partner, non costruiremmo lidar. Forniremo semplicemente i sensori e gli strumenti software e i nostri partner sono responsabili della scelta del laser, del meccanismo dello specchio, dell’ottica, ecc. Ma secondo le nostre stime, i processori fPGA e DSP sono separati (responsabile del trattamento dei dati, ndr), stimiamo che i nostri sensori consentiranno lo sviluppo di un lidar oscillante tra $ 500 e $ 2000 a seconda delle tecnologie integrate intorno Promet, Robert Kalman.

Il prezzo può essere sinonimo di diffusione di massa. Mentre gli attuali Lidar si trovano solo in hardware di fascia molto alta, come l’Audi R8, il sovrapprezzo da $ 500 a $ 2.000 sembra molto più vicino all’opzione che si sceglierebbe di acquistare per sfruttare le funzionalità di sicurezza e intelligenza superiori.
Per verificare le promesse di Sony bisognerà attendere almeno fino al 2023.

« La produzione in serie dell’IMX 459 inizierà nell’autunno del 2022, poiché siamo ancora in fase di qualificazione dei resistori del sensore.. »

Un tempo che gli appassionati di tecnologia potrebbero trovare a lungo”, Ma questo è il prezzo della qualità e della sicurezza ‘”, insiste Robert Kalman. Data l’importanza degli occhi futuri per le nostre auto, lo apprezzeremo a lungo. Se il tempo è denaro, la sicurezza è inestimabile.