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华为、小米等国产手机布局TOF 和结构光谁能催生

2020-06-11 08:09
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  2020年,全球的神经都因新型冠状病毒紧绷,原本低迷的经济形式近乎进入万劫不复的境地。

  尽管如此,中国半导体行业却逆流直上,成为经济下行期少见的上涨焦点。半导体产品,半导体芯片及相关设计,相关元器件,照明相关,封装,材料,设备,分立器件相关,功率半导体等行业相继斩获重磅融资。

  以长江小米基金为例,从2020年1月21日电机驱动控制芯片研发商Fortior、射频芯片研发商芯百特微电子完成融资开始,半导体大赛道包括速通半导体、昂瑞微电子、翱捷科技、灵动微电子和瀚昕微电子相继完成长江小米基金的投资,投资领域覆盖芯片制造、芯片供应、无晶圆半导体研发和MCU产品与应用方案提供等多个行业多个领域,其大主题均为半导体大背景下的国产化替代,整个赛道几乎没有受到经济下行和一级市场投融资困难的影响。

  伴随半导体高速发展的是多项高精尖技术逐步进入传统大产业链,智能手机产业链便是其中翘楚。中国海量人口基数决定了智能手机的海量需求,而日新月异的科技带来的智能手机周边软件算法和硬件组件的频繁更新,为整个半导体产业链带来了巨大的市场想象空间和技术商业化可能性。

  由此切入市场,企业寄希望于影响未来智能手机发展的各个技术路径,窥探大规模运算、软件虚拟化和光学元器件等高科技对智能手机更新换代的影响,尤其现今各家均以超高清镜头摄影搭建产品生态,部分顶部玩家更是将AR、VR等未来技术嵌入硬件解决方案,通过对元器件的未来布局和理解搭建智能手机生态,在智能手机从大增量向小增量大存量进化时期中分得一杯红利。

  在这个时间节点上,3D Sensing向高端甚至中端手机机型过渡的方案已经开启,其前置技术TOF和结构光相关的产业也早在3年前便进入资本视野。市场的发展出现过两次标志性事件:

  2018年8月,OPPO发布首部搭载TOF摄像头的智能手机OPPO R17 Pro,这是国内真正意义上的第一次手机搭载TOF模组的案例;

  2020年3月,苹果公司最新版iPad Pro搭载DTOF技术的深度相机方案推出,3D视觉在消费场景的应用进入全新阶段,而苹果公司DTOF布局AR生态的野心已经昭然若揭,该领域战国割据格局早已形成,vivo、华为、三星、LG和苹果等公司均具备各自的技术优势和市场盘面,对TOF的布局也将从技术商的战术试探真正进入战略攻坚阶段。

  由此,凡卓资本通过对3D Sensing领域衍射的TOF、结构光和其他赛道的情况,做出以下几个基本判断:

  智能手机的3D感知,TOF+结构光是两大主流方案,TOF有望最终成功突围。智能手机仍将是TOF和3D结构光的主要落地场景,3D结构光覆盖短距离高精度场景,尤其是前置3D结构光,工程交付能力在众多方案中长期处于领先,故被其他方案替代的可能性短期不具备;TOF覆盖AR应用,手势识别等长距离低精度的场景。随着苹果iPad Pro后置DTOF入场,相关的安卓厂商会加速渗透布局,据The Elec报道,华为、三星均会渗透前后TOF模组进入产业链,预计总量不会低于1亿个。

  AR生态会由于TOF的快速布局而提前到来,谈AR落地场景不再是完全的空中楼阁。TOF的成本由于苹果iPad Pro后置DTOF的隆重登场而带来的蝴蝶效应会加速下降,而其优质的实时感知能力将成为主流的3D Sensing方案嵌入到除智能手机以外的其他市场中,例如ADAS、机器人、智能家居等,而VR/AR这种对三维感知能力要求极高的场景,将会因TOF的大规模应用而进入普适使用的阶段。

  现代大型数据中心的两级脊叶式结构会带来25G VCSEL光模块的爆发,但光通信所要求的工艺极高,信号调制稳定性是关键的关键。该模组的使用会带来大量短距光纤连接的爆发式需求,10G光模块使用的VCSEL方案呈现的红海格局,将由于数据机房光模块升级到25G方案而存在增量释放,释放量级将达到十亿量级。释放该量级并非意味着这些量级都能被国产化消化,突破测试优化的超长周期,解决信号调制稳定性的工艺问题,对创业团队提出巨大的挑战,团队不具备10年以上工艺经验,不具备大厂从业经验(例如Lumentum,Ⅱ-Ⅵ等),实现稳定性大规模量产几乎不可能。

  VCSEL25G光模块的爆发受外延片市场的牵连极大,如何破除IQE公司的垄断使得下游拿到低价货源无比关键。三安光电是国内唯一具备6英寸VCSEL外延片产线自建能力的国内长江,另外唐晶量子,全磊光电,新亮智能具备一定能力,但距离实际需求相去甚远。

  与半导体其余产业部分相比,国产化替代主体在该行业机会更大。TOF产业链由方案、算法、发射端泛光照明器和接收端近红外摄像头构成,四个产业部分中,方案部分由国外大厂完全统治,包括pmd,AMS, ST, TI, Melexis,Sony,Panasonic等,但泛光照明器领域(VCSEL),国内厂商在10G及以下版本中已达到市场充分竞争,25G也实现小规模量产,部分有实现国产化替代的可能性。材料和外延片方面,在上游的砷化镓,IC涉及到的晶圆代工,虽然大部分仍然由国外大厂完全占据,但部分国内厂商已经进入市场视野。近红外摄像头方面,例如CMOS传感器,除索尼三星外,国内厂商在部分产品型号中具备一定优势。

  凡卓认为,上市公司方面:全产业链部分,由于已成功进入全球第三代半导体产业链,并拥有多款核心技术壁垒极高的器件产品,三安光电处于全方面领先的位置,其余还有水晶光电,联创电子。

  光学镜头方面,推荐舜宇光学,窄带滤光片环节,推荐水晶光电,光学模组方面,首推欧菲光;

  创业公司方面,在VCSEL+激光器芯片领域,博升光电,瑞识科技,柠檬光子,华芯半导体,度亘激光,艾锐光电,武汉光迅,华工科技和唐晶量子均有各自的技术优势,VCSEL赛道方面,创业公司中纵慧芯光消费领域一路领先,通信方面长瑞光电较为领先,武汉敏芯,睿熙光电,太平洋光电也有各自特色。TOF整体解决方案方面,推荐艾芯智能。

  TOF自2006年从CSEM的MESA Imaging孵化并推出TOF商用产品SwissRanger后,便将相关的技术方案(软件+硬件)都用在了汽车的被动安全检测方面。而后MESA进入Heptagon的怀抱,Heptagon又进入了AMS的战略版图,将TOF升格到了AMS的应用高度。

  TOF于2016年进入智能手机,Phab2 Pro的出现掀开了TOF进入智能手机的路径,pmd+英飞凌的方案得到采用,可以在手机上使用部分的AR应用,但由于稳定性和基础性都较差,该应用并未在市场上引起大的反响。

  2017年,华硕发布Zenfone,其搭载的REAL3 TOF成为了业界翘楚,pmd的TOF像素矩阵+英飞凌的SoC基本在业界处于王牌地位。2018年,OPPO在发布TOF相关的OPPO R17 Pro,采用了Sony的方案,vivo发布荣耀V20,采用了同样的TOF方案。自此至今,三星、LG、联想和华为纷纷在主力机型中部署TOF,TOF成为基础标配。

  2020年,苹果公司最新的iPad Pro和两款iPhone搭载DTOF,前置人脸识别摄像头则还是沿用3D结构光的技术,借助定制版的CMOS模拟人脸功能,实现AR实景导航应用。苹果的强势入局引起蝴蝶效应,DTOF相关的定位模组2020年面临一定规模的放量将被期待,华为和三星等也会因此次冲击在2020年后陆续在高端机上渗透TOF模组,预计将从5700万部直接上升到1.83亿部。

  从渗透率看,2020年苹果、华为和三星的后置TOF渗透率预计分别为21%、20%和5%,出货量分别是4500万、9700万和3500万。其余厂家,包括小米,OPPO,vivo在内分享了剩余的存量,但对总量冲击不大。

  3D结构光在消费领域的商业模式最早可追溯到2009年。以色列PrimeSense搭载3D结构光模组的体感设备Kinect V1.0,该产品上市后迅速引起了市场的强烈反响,尽管准确度、图像分辨率和响应速度均没有达到真正意义的商用级水准,但无碍于3D感测通过结构光的方式进入大家视野。

  PrimeSense的研发能力显然跟不上大厂对于3D感测的布局速度,2009年3DV Systems和Canesta纷纷进入微软的战略视野,最终完成收购,并在2013年解除了和一代厂商PrimeSense的产品合作,自研了Kinect V2.0,但仍然无法从根本解决准确度,图像分辨率的水平,导致技术衍生的产品应用并不能很好的解决场景出现的问题,特别是和微软游戏开发团队和硬件团队的技术脱节,导致2017年Kinect彻底下线D感测的结构光软硬件耦合方案,出师不利。

  但智能手机的出现可谓是一物解百忧,尤其智能手机大厂竞争日益白热化,导致各个大厂都希望在自己的下一代产品上添加所有可行的前沿科技与前言应用,3D感测是AR/VR的必经路径,如何在智能手机上提前布局和嵌入硬件模块,成为了大厂争先竞争的关键。但半导体工艺的技术限制导致3D感测很难在小体积和低功耗的手机中成熟应用,大厂的整体解决方案需要有人先吃螃蟹。

  率先吃螃蟹的是苹果。2017年Mac World公布全新iPhoneX,苹果第一次将3D结构光模组嵌入终端,将实现3D人脸识别技术作为iPhone下一步的重大战略点,这一标志性事件使得其它智能手机大厂也必须进入布局阶段,以免被iphone甩得太远。

  而万物必有因,3D结构光模组核心技术方案来源于Kinect V1.0的PrimeSense,2013年苹果3.6亿美元收购该标的,其后的iPhone XR和iPhone XS全部搭载更新版的结构光模组。国内部分,华为和奥比中光纷纷提出自己的方案,时至今日,小米、华为和OPPO都发布了各自的3D结构光模组智能手机版本。

  其中,华为宣布全产自研Mate20 Pro。OPPO运用奥比中光的方案FindX,并将奥比中光推向了百亿人民币市值的独角兽地位。小米则采用了Mantis Vision的解决方案。但从DigiTimes的数据来看,iPhone X、iPhone XR、iPhone XS和iPhone 11的结构光模组出货量达到了总量的88%,仍然处于业界的绝对领先。

  1.结构光无法解决长距离精度损耗的问题是由技术方案的底层逻辑受限造成的,TOF的优化通过加装高性能CMOS传感器来进行提升,有技术路径但成本较高。

  结构光的最大问题是VCSEL和DOE之间装备的误差,比如该误差会导致散斑投射误差,以及DOE和镜头之间的装配误差会导致距离测试误差。一般从近到远的距离都能够清晰解调必须由多个镜头和多个DOE解决,结构光原则上是拍照片和解调拍到的照片上的斑点信息,所以斑点信息的准确度需要高精度的点云来解决。

  TOF精度由镜头的畸变率、镜头内部光的发射折射、VCSEL光斑均匀度和光和镜头的开关频率造成。高性能的CMOS或者CCD是把QE也就是光量子效率提高,这样可以降低VCSEL的功率,减小整个系统的功耗。其中光的开关频率越高,得到的精度就越高,据凡卓资本了解,目前艾芯智能能够控制每秒钟3500次的开关频率,精度应该是所有TOF方案中最高的。

  2.结构光对光照较为敏感,因为采用的传感器在850nm或940nm的波长上的QE很低,所以很容易受同波长的光干扰,图像清晰度有限。

  TOF是通过计算发射和回收时间再去打开传感器的快门,所以相对来说信噪比会比较好,同时TOF采用了砷化镓的工艺对芯片做了改进(2020年前后该技术逐渐成熟),使得芯片在850nm或940nm波长上有相对较高的QE(一般大于18%),所以环境光的影响比结构光小,但是强太阳光下也不行,其信噪比不高不能解调出来。

  同时近距离一般采用窄带脉冲,远距离采用宽脉冲,脉冲宽度不是精度高低的原因。DTOF采用TDC技术,那么对外界环境光的干扰免疫力会大幅增强。

  3.结构光的算法需要额外添加处理芯片,计算流程较长,实时性无法保证,TOF通过数仓放在AP中直接调用,对手机硬件也没有过高要求。

  理论上说,前端只是数模转换,有算力的芯片是放在传感器里做SOC还是外置,实质上是由芯片厂家早期开芯片的时候期望把芯片用在哪个领域来决定。

  对TOF来说视场角度、测试距离远近、帧率要求、对精度要求等都会导致处理器芯片的选择完全不一样。

  5.结构光模组部署成本约为TOF的2倍,其核心问题是配件难做,精度要求高,产业链缺乏。当然镜头和高速开关控制电路也不便宜,技术含量很高,不过TOF在大批量产业化的时候会被摊低成本,整体的价格优势仍然存在。

  以苹果结构光模组和苹果最新发布的DTOF模组类比,结构光模组在发射端多了一个点阵投影仪,TOF模组则采用近红外摄像头(TOF Sensor)。

  结构光方面,从点阵投影仪(Dot Projector)来看,该核心器件的关键构成由VCSEL,WLOlens和DOE构成,三个器件组成的发射特定编码可发射构成特定的光学图案,技术难度极大。

  TOF方面,其不需要受到点阵投影仪的限制,核心器件为VCSEL的性能和功率,尤其是在温漂问题方面,国内一部分厂商已拿出行之有效的解决方案,并部署至产品中。

  其次,TOF的泛光照明器由VCSEL和Diffuser构成,TOF对VCSEL的功率要求比结构光高,其原理是向物体发射光脉冲,在白天黑夜都要连续工作。这个技术与TOF的区别在于结构光采用低功率VCSEL,而低功率是用于在光线较暗的地方为黑夜中的图像捕捉光斑,容易形成黑夜中的完整图像。

  技术集成方面,iPhoneX现有的技术方案中,泛光照明器和TOF距离传感一同封装由STM供应,这是一大特色。

  结构光通常被认为测量距离较短(0.2m – 1.2m),精度较高(1280*800),以工业场景的AOI为代表,可以进行精密仪器检测等工业外观检测方面机器换人的工作。TOF则距离可以轻松超过2m,精度集中在240*180的范围内,如体感游戏,导航等。

  但结构光的核心问题在于,其距离受限很难在工艺上得到明确优化(散斑编码图案的清晰度会随着距离增长出现模糊),深度图的呈现无法完整导致体验较差,从而手机后置的方案中几乎无法考虑结构光方案。而TOF方案的面光源在一定程度上不会轻易被长距离拖累,大范围衰减几乎不可能出现。

  当然,TOF方案要解决远距离精度问题,需要通过CMOS传感器性能改善来实现,但CMOS传感器的性能随之而来的成本提升也相对明显,在测量距离和视场角一定的条件下,分辨率与测量精度成正比。

  目前人脸识别应用中,要求不低于30万像素(VGA),因此华为三星也将TOF用于前置摄像头,用于解决前置所能覆盖的潜在AR场景,虽然成本有所上升,但比起结构光底层技术逻辑受限造成没有升维路径要好很多。

  其次,方案适应性方面,TOF方案可通过改变光源强度实现不同范围的3D成像,而通过调整发射器脉冲频率,调整相应信噪比以适应应用环境,这也体现出TOF对光照条件不敏感的特性,这一点是结构光无法具备的。

  方案算法方面,结构光运算数据量相较于TOF近乎海量,需要附加额外算法处理芯片运用到手机端,通用性、实时性与TOF都无法比较。

  从市场现有的情况反馈,单论VCSEL的市场意义并不大,从通信角度出发,据Gartner公布的报告来看,全球VCSEL通信的供应市场,在国内的部分约2亿美元左右,消费级市场约为6-8亿美元,整个市场空间约为10亿美元,用这个市场空间来支撑一个一级市场的赛道并不现实。

  但是,VCSEL的调制相应,光束质量,效率,集成度的优势,又决定了其对于短距场景,消费电子传感和短距离光通信有较大优势,基本上是市场中的首选光源,尤其对于短距离消费电子3D传感器的需求,可以得到很好的满足。

  从短距离特性上推断,据凡卓资本了解,场景方面,随着数据机房大型化和云计算发展的逐步演进,“东西流量”结构将成为数据中心内部和数据中心之间主要流量结构的构成。而“东西流量”的结构将促使大型数据中心采用两级脊叶式结构,该结构对于数据交换效率的提升尤其明显,而脊叶结构使用大量短距光纤链接几乎成为技术必然,因此光芯片VCSEL的需求将会大幅上升,将原有产业规模的天花板打破。

  从大型数据中心的体量来看,中国2018年数据被创建、采集和复制的总量高达7.6ZB,占全球数据圈的23.4%,但随着5G通信和相关云计算技术的大规模兴起,该数据将会在2025年增加至48.6ZB,该数据占全球数据的27.8%。

  而与此对应的中国大型数据中心,只有全球的8%(35个),大部分数据中心为三大电信运营商的独占空间,BAT等互联网巨头均要在未来3-5年建立属于自己的大型数据中心,匹配海量数据。

  而匹配海量数据的大型数据中心将采用光通信技术,对数据进行精准,高效的传输和管理。从光芯片的选择上来看,10G光模块技术和产业都相对成熟,但由于性能有限,加之场景有限,目前呈现相对红海的格局。

  但随着数据流量的增加,大型数据中心的建设增加,25G模块的使用将显著提升,而25G模块的使用,其技术含量和利润空间都将为现有的数据中心带来技术性迭代,其成长量级将不低于10亿量级,而具备25G光模块部署条件的数据中心,都将逐渐增加25G模块的渗透率。

  从消费电子方面,消费电子传感采用VCSEL,其主要壁垒来自于外延片生长工艺,其应用领域对VCSEL的功率要求较高,而功率取决于反射镜的层数,外延生长正式沉积制造反射镜的工艺,其外延生长工艺决定了堆叠层数的多少,这决定了最终产品的性能。这方面具备外延设备MOCVD定制,生产工艺调试的团队将会脱颖而出。

  在凡卓资本看来,大规模阵列的外延片工艺从4英寸升级为6英寸,目前全球只有IQE和住友化学具备该工艺的生产要求。

  但自2020年起,所有高端安卓手机用VCSEL的90%以上的传感器都将使用该技术,所以该赛道现在由IQE公司独自承包,但产能仍然跟不上急速发展的需求。渠道的限制也导致了国内厂家很难以稳定低价拿到IQE的货源,国产化替代刻不容缓。在这个背景下,包括唐晶量子,全磊光电,新亮智能等企业脱颖而出,寄希望于在未来几年打破IQE和住友化学的垄断。

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