ऑटोमोटिव LiDAR आ गया है

डेमलर द्वारा हाल ही में एस-क्लास लक्जरी मॉडल में लेवल 3 विकल्प (एल 3, कुछ स्थितियों में स्वचालित ड्राइविंग जिसमें मानव चालक एक बार बुलाए जाने पर कार्यभार संभालने के लिए तैयार होता है) की शुरूआत स्वायत्तता क्रांति के लिए एक महत्वपूर्ण सफलता है। होंडा और बीएमडब्ल्यू सहित कई अन्य ऑटोमोटिव कंपनियों ने इस सुविधा की शीघ्र उपलब्धता की घोषणा की है। LiDAR (लाइट डिटेक्शन एंड रेंजिंग) के साथ 3डी इमेजिंग एक प्रमुख सेंसिंग तकनीक है जो इसे संभव बनाती है। एक हालिया लेख (लास वेगास में जनवरी 2022 उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स शो में LiDAR को कवर करते हुए) ने प्रश्न की जांच की "क्या LiDAR आ गया है?" चार महीने बाद, उत्तर हाँ है।

निजी LiDAR कंपनियों में ~$5B निवेश (पिछले 8 वर्षों में) का मुख्य फोकस राइड-हेलिंग, ट्रकिंग और लॉजिस्टिक्स के लिए पूर्ण स्वायत्तता (स्तर 4 या 5 जहां किसी मानव ड्राइवर की आवश्यकता नहीं है) था। तकनीकी, सुरक्षा, नियामक और लागत संबंधी विचारों के कारण L4/L5 क्षमता को साकार करना मूल रूप से कल्पना की तुलना में अधिक चुनौतीपूर्ण साबित हुआ है। कई मामलों में, इस क्षमता के मुद्रीकरण के व्यावसायिक मामले भी अस्पष्ट साबित हुए हैं। LiDAR कंपनियों के लिए, लंबे समय के क्षितिज और इस तथ्य को देखते हुए कि प्रमुख L4 खिलाड़ी अपने आंतरिक LiDAR (वेमो, ऑरोरा, अर्गो) विकसित कर रहे हैं, यह एक कठिन खोज है।

पूर्ण स्वायत्तता के लिए लक्षित बाजार व्यवसाय हैं, जिनमें वाहनों की काफी कम मात्रा होती है (उपभोक्ताओं को प्रति वर्ष बेची जाने वाली ~ 5M कारों की तुलना में <100M/वर्ष)। ऑटोमोटिव ओईएम पूर्ण स्वायत्तता बाजार में प्रतिस्पर्धा करने के लिए तैयार नहीं थे और उन्होंने अपनी कारों में सीमित स्वायत्तता सुविधाओं को जोड़ने और बड़े ग्राहक आधार को आराम, खाली समय और सुरक्षा का प्रस्ताव बेचने का अवसर देखा। इसने कई LiDAR कंपनियों को L2 और L3 स्वायत्तता को संबोधित करने के लिए प्रेरित किया है। हालिया घोषणाओं में वैलेओ (मर्सिडीज), इनोविज़ (बीएमडब्ल्यू), ल्यूमिनर (वोल्वो), सेप्टन (जनरल मोटर्स), इबियो (ग्रेट वॉल मोटर्स) और इनोव्यूशन (एनआईओ) जैसी कंपनियां शामिल हैं। ऑटोमोटिव टियर 1 आपूर्तिकर्ताओं (ऐ-कॉन्टिनेंटल, बाराजा-वेओनीर, सेप्टन-कोइटो, इनोविज-मैग्ना) के साथ साझेदारी भी मजबूत हो गई है।

रेंज और बिंदु घनत्व (अंक/सेकंड या पीपीएस) महत्वपूर्ण प्रदर्शन पैरामीटर हैं जो LiDAR द्वारा प्रदान की जाने वाली धारणा क्षमता को नियंत्रित करते हैं। इनमें सुरक्षित और आरामदायक स्वायत्तता युद्धाभ्यास को सक्षम करने के लिए पर्याप्त दूरी पर लेन चिह्नों, यातायात बुनियादी ढांचे, सड़क की सतह, पैदल चलने वालों, वाहनों और सड़क के मलबे का पता लगाना और वर्गीकरण करना शामिल है। जबकि प्रदर्शन महत्वपूर्ण है, उपभोक्ता कारों की धुरी ने LiDAR कंपनियों को कीमत, आकार, बिजली की खपत, वाहन एकीकरण/स्टाइलिंग, विनिर्माण स्केलेबिलिटी और सुरक्षा प्रमाणन जैसी अधिक "सांसारिक" विशेषताओं पर भी ध्यान केंद्रित करने के लिए प्रेरित किया है। डेट्रॉइट में हाल ही में हुए ऑटोसेंस सम्मेलन ने इस पर प्रकाश डाला और यह एक अच्छा संकेतक है कि ऑटोमोटिव बाजार के लिए LiDAR आखिरकार आ गया है। कुल सात LiDAR कंपनियों ने भाग लिया - ऐ, बाराजा, सेप्टन, इनसाइट, सीगेट, वैलेओ और ज़ेनोमैटिक्स।

पैसा पैसा पैसा

ऑटोसेंस के एक पैनल सत्र में कीमत (या दर्द) सीमा पर चर्चा की गई जो उपभोक्ता वाहनों के लिए LiDAR को किफायती बनाती है। किसी विशिष्ट संख्या का उल्लेख नहीं किया गया (स्पष्ट कारणों से)। संदर्भ के रूप में, ऑटोमोटिव कैमरे और रडार की कीमत क्रमशः $10-20 और $50-100 की सीमा में है, और सपना यह है कि LiDAR समान मूल्य बिंदु हासिल करेगा। कुछ कारणों से निकट भविष्य में यह अनुचित है। सबसे पहले, कैमरों और राडार ने ADAS (ऑटोमोटिव ड्राइवर असिस्टेंस सिस्टम) के लिए उपभोक्ता कारों की परिपक्वता और स्केलिंग के कई दशकों का अनुभव किया है। दूसरा, वे मुख्य रूप से सिलिकॉन और सीएमओएस प्रौद्योगिकियों पर भरोसा करते हैं जो उपभोक्ता और औद्योगिक इलेक्ट्रॉनिक्स के पैमाने का लाभ उठाते हैं। LiDAR कम परिपक्व है और जटिल ऑप्टिकल सेमीकंडक्टर तकनीक (विशेषकर लेजर) पर निर्भर करता है। इस क्षेत्र में आपूर्ति श्रृंखला आज ऐसे मूल्य निर्धारण का समर्थन करने की स्थिति में नहीं है।

LiDAR के लिए स्वीकार्य सीमा मूल्य को तर्कसंगत बनाने का एक तरीका इसे L3 विकल्प मूल्य से जोड़ना है। मर्सिडीज एस-क्लास के लिए, यह ~$5000 है। यह देखते हुए कि LiDAR इस कार्यक्षमता को संभव बनाता है, यह मान लेना उचित है कि LiDAR $500 (या L10 विकल्प मूल्य का 3%) मूल्य बिंदु का आदेश दे सकता है। जैसे ही मध्य-मूल्य वाली कारें इस विकल्प की पेशकश शुरू करेंगी, L3 की कीमत कम करने की आवश्यकता होगी (~$3000), साथ ही LiDAR की कीमत ~$300 तक कम हो जाएगी। व्यापक ग्राहक स्वीकृति केवल तभी होने की संभावना है जब ऑपरेशनल डिज़ाइन डोमेन (ओडीडी) का विस्तार होता है (गति, स्थान, मौसम, आदि के संदर्भ में) और इस विकास के दौरान कोई महत्वपूर्ण सुरक्षा घटना नहीं होती है।

आकार मामला

RSI "स्टाइल स्टूडियो किंग है" ऑटोसेंस में थीम पर बार-बार जोर दिया गया, इस सलाह के साथ कि उपभोक्ता कारों की समग्र स्टाइल और भावनात्मक अपील से समझौता किए बिना सेंसर एकीकरण होना चाहिए। आकार और बिजली की खपत यह नियंत्रित करती है कि सेंसर कहाँ और कैसे एकीकृत हैं। सेंसरों (विशेषकर LiDAR) में खपत होने वाली अधिकांश बिजली ऊष्मा में परिवर्तित हो जाती है। इसे कम करना दक्षता, थर्मल प्रबंधन और आकार में कमी के दृष्टिकोण से फायदेमंद है।

रडार सेंसर की मात्रा 100-500 सेमी³ तक होती है और 5-15W बिजली की खपत करते हैं (प्रदर्शन के आधार पर)। कैमरे काफी छोटे और बिजली-कुशल होते हैं (आमतौर पर 25 - 200 सेमी³ और ~ 3W बिजली की खपत की सीमा में)। एक कार में रियल एस्टेट कीमती है, और जैसे-जैसे L2 और L3 कार्यक्षमता विकसित होती है, LiDAR को अंतरिक्ष, बिजली, गणना संसाधनों और थर्मल प्रबंधन के लिए इन पारंपरिक सेंसर के साथ प्रतिस्पर्धा करने की आवश्यकता होती है।

तालिका 1 रेंज और पीपीएस (अंक/सेकंड) प्रदर्शन मापदंडों में LiDAR डिजाइनों के आकार और बिजली की खपत की तुलना करती है:

ऑपरेटिंग भौतिकी, स्कैनिंग दृष्टिकोण और तरंग दैर्ध्य महत्वपूर्ण कारक हैं जो आकार और बिजली की खपत को बढ़ाते हैं। तालिका 1 से मुख्य निष्कर्ष इस प्रकार हैं:

1. ④ सबसे कम कॉम्पैक्ट दृष्टिकोण है। 1550 एनएम टीओएफ (टाइम-ऑफ-फ्लाइट) ऑपरेशन के लिए उच्च शिखर शक्ति फाइबर लेजर की आवश्यकता होती है, जो सेमीकंडक्टर डायोड लेजर के समान कॉम्पैक्ट नहीं होते हैं। 2डी स्कैनिंग और अलग ट्रांसमिट/रिसीव एपर्चर भी LiDAR को भारी बनाते हैं।
2. ① सबसे सघन दृष्टिकोण प्रतीत होता है। FMCW (फ़्रीक्वेंसी मॉड्यूलेटेड कंटीन्यूअस वेव) कम शक्ति, सुसंगत, ट्यून करने योग्य डायोड लेजर के उपयोग की अनुमति देता है। स्कैनिंग एक आयाम (क्षैतिज दिशा) में होती है, जबकि ऊर्ध्वाधर स्कैनिंग ट्यून करने योग्य लेजर और प्रिज्म-जैसे ऑप्टिक्स (कोई चलती भागों के बिना) के साथ पूरी की जाती है। यह एक मोनो-स्टैटिक आर्किटेक्चर का भी उपयोग करता है (ट्रांसमिट/रिसीव एक एपर्चर के माध्यम से होता है)।
3. 905 एनएम (②) की तुलना में, 1550 एनएम LiDAR (① और ④) उच्च शक्ति की खपत करते हैं लेकिन उच्च रेंज प्रदर्शन भी प्रदान करते हैं। अधिक बिजली की खपत कई कारकों के कारण होती है। सबसे पहले, लेज़रों को उच्च ऑप्टिकल शक्ति पर संचालित करने की अनुमति दी जाती है (1550 एनएम के लिए नेत्र-सुरक्षा सीमाएँ 905 एनएम की तुलना में बहुत अधिक हैं)। दूसरा, 1550 एनएम लेज़र कम कुशल होते हैं और अधिक विद्युत ऊर्जा की खपत करते हैं। अंत में, उच्च तापमान संवेदनशीलता के कारण, 1550 एनएम लेजर को ठंडा करने या तापमान स्थिर करने की आवश्यकता होती है। इसमें शक्ति और आकार की खपत होती है।
4. LiDAR रेंज और PPS प्रदर्शन (② में Innoviz और Valeo) में पीढ़ीगत सुधार से बिजली की खपत बढ़ जाती है। यह समझ में आता है क्योंकि उच्च प्रदर्शन के लिए अधिक लेजर शक्ति, कर्तव्य चक्र और स्थानिक आवृत्ति की आवश्यकता होती है। सिग्नल प्रोसेसिंग कंप्यूटिंग शक्ति भी बढ़ जाती है। बढ़ी हुई बिजली की खपत के साथ आकार आनुपातिक रूप से बढ़ता है।
5. फ्लैश LiDAR (③) जो मामूली प्रदर्शन प्रदान करता है, उसके सापेक्ष, यह आकार और बिजली की खपत के मामले में महंगा है। यदि चलती भागों को खत्म करना एक महत्वपूर्ण विचार (विश्वसनीयता या एकीकरण विचार) है, तो इलेक्ट्रॉनिक स्कैनिंग का उपयोग करने वाले आर्किटेक्चर अधिक आकर्षक (③) हैं क्योंकि वे समकक्ष आकार में काफी उच्च प्रदर्शन और नाटकीय रूप से कम बिजली की खपत प्रदान करते हैं। समझौता यह है कि वैश्विक शटर संचालन संभव नहीं है, जिससे पॉइंट क्लाउड में धुंधला प्रभाव पड़ता है।
6. LiDAR निर्माताओं और टियर 1 कंपनियों (बाराजा-वेनीर, कॉन्टिनेंटल-ऐ) के बीच सह-डिज़ाइन साझेदारी आकार में कमी के मामले में फायदेमंद है।

LiDAR एकीकरण, आकार और बिजली की खपत के मामले में परिपक्व हो रहा है। रडार के सापेक्ष, यह आकार और बिजली की खपत के मामले में अभी भी ~2-3 गुना बड़ा है। इमेजिंग कैमरे और भी अधिक कॉम्पैक्ट और पावर-कुशल हैं (आकार में 10X से कम, पावर में 5X से कम)।

क्या समय के साथ LiDAR कभी इन अन्य सेंसरों के बराबर पहुंच पाएगा? 1550 एनएम FMCW LiDAR (①) दो आयामों में चिप-स्केल ऑप्टिकल स्कैनिंग (आज सक्रिय अनुसंधान का एक क्षेत्र, लेकिन अभी तक व्यावहारिक रूप से संभव नहीं है) के साथ सिलिकॉन फोटोनिक्स प्लेटफॉर्म में लागू होने के बाद रडार के साथ आकार समानता के लिए सर्वोत्तम क्षमता प्रदान करता है। बिजली की खपत कम होने की संभावना नहीं है क्योंकि मूलभूत लेजर तकनीक में प्रमुख सामग्री सुधार की आवश्यकता होगी (फाइबर ऑप्टिक्स संचार का समर्थन करने के लिए इस क्षेत्र में पिछले तीन दशकों में महत्वपूर्ण निवेश हुए हैं, और नाटकीय सुधार की संभावना नहीं है)। बिजली की खपत का बड़ा हिस्सा लेजर के कारण होता है, और इसका 70% से अधिक हिस्सा गर्मी में परिवर्तित हो जाता है, जिसे प्रबंधित करने की आवश्यकता होती है। यह बदले में आकार की निचली सीमा निर्धारित करता है।

विनिर्माण: 1-1000 आसान है, 1000,000 कठिन है (यदि आप $ कमाना चाहते हैं)

यह सुनिश्चित करने के लिए कि LiDAR जैसा जटिल ऑप्टो-मैकेनिकल सेंसर प्रोटोटाइप से लेकर उच्च मात्रा में उत्पादन तक शानदार ढंग से स्केल कर सकता है, इसके लिए डिज़ाइन के शुरुआती चरणों में आपूर्ति श्रृंखला और विनिर्माण क्षमता पर विचार करना आवश्यक है। इस संबंध में LiDAR कंपनियों और टियर 1 आपूर्तिकर्ताओं (जिन्होंने कुशलतापूर्वक बड़े पैमाने पर उत्पादन बढ़ाने की प्रक्रियाओं और विज्ञान में महारत हासिल की है) के बीच साझेदारी अमूल्य है।

Valeo अपनी LiDAR (SCALA श्रृंखला) को डिज़ाइन और निर्मित करती है। ऑटोसेंस में, उन्होंने डिज़ाइन प्रक्रिया को प्रभावित करने वाले विचार प्रस्तुत किए - प्रौद्योगिकी विकल्प, आपूर्तिकर्ता, प्रक्रिया सादगी, लागत, विश्वसनीयता और स्केलेबिलिटी। चक्र समय और स्क्रैप स्तर का कड़ाई से विश्लेषण और सत्यापन किया जाता है। वैलेओ का दर्शन "फ़ंक्शन के लिए फिट" डिज़ाइन पेश करना है जो वर्तमान ऑटोमोटिव ग्राहकों की ज़रूरतों को पूरा करते हैं (शुरुआत में प्रदर्शन में प्रतिद्वंद्वियों का नेतृत्व नहीं कर सकते हैं लेकिन ग्राहकों के लिए विश्वसनीय और आसान हैं), इन्हें बड़े पैमाने पर उत्पादन में लॉन्च करें और स्केलिंग और कम लागत का उपयोग करें भविष्य के डिज़ाइनों के लिए प्रदर्शन उन्नयन के आधार के रूप में अनुभव। अब तक 170,000 से अधिक ऑटोमोटिव-ग्रेड LiDAR का निर्माण किया जा चुका है (SCALA 1 और 2 श्रृंखला में, SCALA 2 को वर्तमान में मर्सिडीज S क्लास में डिज़ाइन किया गया है जिसकी पहले चर्चा की गई थी)। SCALA 3 इस अनुभव का लाभ काफी उच्च प्रदर्शन के साथ उठाता है और 2023 में लॉन्च होने की उम्मीद है। Valeo का दृष्टिकोण (जो टियर 1 और अन्य उच्च-मात्रा विनिर्माण कंपनियों के लिए विशिष्ट है) कई उद्यम-वित्त पोषित LiDAR कंपनियों से अलग है जो शुरू में अधिकतम करने पर ध्यान केंद्रित करते हैं प्रदर्शन और मान लें कि वॉल्यूम बढ़ने के बाद स्केलिंग और लागत आवश्यकताओं पर ध्यान दिया जाएगा। यह एक कठिन प्रस्ताव है.

सीगेट टेक्नोलॉजी हार्ड डिस्क ड्राइव (एचडीडी) का एक बड़ा निर्माता है, जो प्रति वर्ष 100 मिलियन से अधिक इकाइयों का उत्पादन करता है। ऑटोसेंस में, उन्होंने अपना LiDAR प्रस्तुत किया और प्रदर्शित किया, एक 1550 एनएम प्रणाली जो गतिशील फ़ोवेशन, 120° दृश्य क्षेत्र, 250 मीटर रेंज और 25W बिजली की खपत में सक्षम है। कंपनी ने HDD की स्टोरेज क्षमता बढ़ाने के लिए HAMR (हीट असिस्टेड मैग्नेटिक रिकॉर्डिंग) की शुरुआत की। रिकॉर्डिंग हेड पर लगे लेजर डायोड का उपयोग चुंबकीय ध्रुवता को फ़्लिप करने और लेखन प्रक्रिया में सहायता करने के लिए एकल बिट्स को स्थानीय रूप से गर्म करने के लिए किया जाता है। प्रकाशिकी, सटीक यांत्रिकी, उच्च गति इलेक्ट्रॉनिक्स और स्कैनिंग प्रमुख डिज़ाइन प्लेटफ़ॉर्म हैं। एचडीडी विनिर्माण लाइनें सटीक स्थिति (उप-माइक्रोन) और ऑप्टिकल, मैकेनिकल और इलेक्ट्रॉनिक भागों की बॉन्डिंग और उच्च थ्रूपुट इन-लाइन और अंतिम परीक्षण का उपयोग करती हैं। सीगेट की रणनीति ऑटोमोटिव LiDAR के लिए अपने HDD उत्पादों के पेटेंट, प्रासंगिक प्रौद्योगिकी ब्लॉक और विनिर्माण बुनियादी ढांचे का लाभ उठाना है। यह प्रयास पिछले 2-3 वर्षों से जारी है, और इस समय, विस्तृत विवरण और योजनाएँ सार्वजनिक नहीं हैं। सीगेट संभवतः भीड़भाड़ वाले LiDAR पारिस्थितिकी तंत्र में अब तक आए किसी भी अन्य खिलाड़ी से भिन्न है। वे मौजूदा उच्च-मात्रा, कम लागत वाली उत्पादन लाइन से शुरुआत कर रहे हैं और इसमें समान जटिलता के उत्पाद डिजाइन डाल रहे हैं। वे भविष्य में LiDAR बाज़ार को बाधित कर सकते हैं।

ट्राइऑप्टिक्स (जेनोप्टिक का एक प्रभाग) ने ऑटोमोटिव बाजार के लिए उच्च मात्रा में LiDAR के निर्माण की कुछ विनिर्माण उपकरण चुनौतियों को प्रस्तुत किया। ऑप्टिकल, मैकेनिकल और इलेक्ट्रॉनिक्स घटकों का सटीक संरेखण और बॉन्डिंग उच्च थ्रूपुट LiDAR निर्माण के लिए महत्वपूर्ण है, साथ ही बहुत कम चक्र समय पर उप-असेंबली और अंतिम उत्पादों को कैलिब्रेट और परीक्षण करने की क्षमता भी है। मुख्य बात यह सुनिश्चित करना है कि प्रत्येक उप-घटक को पर्याप्त परिशुद्धता स्तर और फिडुशियल के साथ डिज़ाइन और खरीदा गया है ताकि रोबोटिक स्वचालन प्रभावी ढंग से कार्य कर सके। ट्राइऑप्टिक्स LiDAR उत्पादन के लिए व्यावसायिक रूप से उपलब्ध उपकरण बना रहा है और उनका प्रस्ताव दो दशक पहले फाइबर ऑप्टिक-आधारित संचार प्रणालियों के स्केलिंग के समान है। इसने ऑप्टो-इलेक्ट्रॉनिक घटकों के निर्माण के लिए समर्पित एक विशेष उपकरण उद्योग को जन्म दिया, जिसमें बर्न-इन/टेस्ट, फाइबर एलाइनमेंट/अटैचमेंट, डाई/वायर बॉन्डिंग, हर्मेटिक सीलिंग और विश्वसनीयता परीक्षण प्रणाली शामिल हैं।

सुरक्षा मानक और प्रमाणन

NVIDIA ने सेंसर के सुरक्षा प्रमाणन के लिए दो प्रमुख मानकों को संबोधित करने के लिए अपना दृष्टिकोण प्रस्तुत किया: ISO 26262 कार्यात्मक सुरक्षा मानक और उभरता हुआ ISO 21448 मानक जो इच्छित फ़ंक्शन की सुरक्षा (SOTIF) से संबंधित है। उत्तरार्द्ध बताता है कि एक विशेष वाहन सुविधा वादा किए गए ODD पर कैसा प्रदर्शन करती है। LiDAR जैसे नए सेंसर के लिए, प्रतिकूल रोशनी और मौसम की स्थिति में इसे ऑब्जेक्ट डिटेक्शन और वर्गीकरण (उदाहरण के लिए एक वाहन, पैदल यात्री, बाधाएं और यातायात बुनियादी ढांचे) में अनुवाद करना महत्वपूर्ण है। LiDAR आपूर्तिकर्ता इस नए मानक पर तेजी से ध्यान केंद्रित कर रहे हैं, हालांकि यह स्पष्ट नहीं है कि यह ऐसा कुछ है जो OEM या टियर 1 द्वारा किया जाएगा (क्योंकि यह फ़्यूज़न और उच्च स्तरीय सॉफ़्टवेयर स्टैक पर निर्भर हो सकता है)।

ऑटोमोटिव LiDAR निश्चित रूप से आ गया है। जबकि L4 स्वायत्तता बाजार अभी भी दूर है, सीमित स्वायत्तता स्तर (L2 और L3) जिनके लिए LiDAR की आवश्यकता होती है, अधिक आकर्षक और निकट अवधि के अवसर प्रदान करते हैं। डिज़ाइन-इन के अवसर सीमित हैं और इनके लिए प्रतिस्पर्धा क्रूर है। इन्हें जीतने के लिए प्रदर्शन, लागत, विश्वसनीयता और एकीकरण में आसानी का सही संतुलन प्रदान करने की आवश्यकता होगी।