Aastate jooksul on "Tähesõdade" filmide sari alati šokeerinud lugematute kinokülastajate südameid: kas jedi rüütlid on need, kes võitlesid kurjade jõudude vastu vaatamata kurjadele jõududele, hoolimata pahaendelisest, või vastupanuorganisatsiooni julgusest ja ohverdusest rõhumise ees ja lõpuks läbi suurepärase strateegia võita... Peale selle on muljetavaldavad filmi säravad valgusmõõga duellid, samuti droidide nagu R2-D2, C-3PO ja BB-8 tegevused. Ilma nende droidideta poleks Star Wars'il olnud nii hämmastavat lõppu.
Robotid ja metaversum on 2022. aasta rahvusvahelisel tarbeelektroonika näitusel (CES) üks kuumimaid teemasid. Tänapäeval on meie jaoks töötavad mittehumanoidmasinad tavalised, näiteks kohaletoimetamisrobotid, isesõitvad autod, pühkivad robotid ja õhudroonid. Arvestades CES-i mõju, võime olla uue ajastu äärel: igas kodus on vähemalt üks robot ulmefilmi stseenist nagu Star Wars.
Teisest küljest, kuna kontaktivabad teenused covid-19 pandeemia ajal jätkuvalt kiirenevad, on virtuaalset ja tegelikkust ühendavad metaversumisteenused üha populaarsemaks muutumas ja nõudlus selliste teenuste järele kasvab eksponentsiaalselt. Paljud inimesed hakkavad kasutama liitreaalsuse (AR, liitreaalsus) või virtuaalreaalsuse (VR, virtuaalreaalsuse) tehnoloogiat. Varsti kantakse AR- ja VR-seadmeid ringi nagu nutitelefonid. See juhatab sisse uue ajastu, kus teenused on saadaval igal ajal ja igal pool, mis tähendab, et me ei pea enam külastama panku ega tootjaid ning me saame tooteid hooldada tehasesse sisenemata.
Joonis 1: Ocado kohaletoimetamise robot
Masina silm (masinnägemine)
Cmos-pildianduri (CIS) tehnoloogia, mida toetavad hämmastavad edusammud pooljuhtide töötlemisel ja pildisignaalide töötlemisel (ISP, pildisignaali töötlemine), langevad hinnad ja suurepärane kõrge eraldusvõimega kõrge jõudlus, cmos-pildianduri (CIS) tehnoloogia on muutunud erinevate seadmete, näiteks nutitelefonide alustalaks. "Silm". Pikslid on see, mis määrab kaamera jõudluse, ja konkurents nende ümber on viinud kaameratehnoloogia 600 megapikslise inimese silmast kaugemale.
Kuid kas kõrgresolutsiooniga pildid sobivad tingimata masinnägemiseks? Ohutuse ja turvalisuse eest vastutavate tipptasemel masinate silmis ei piisa isegi kõige teravamatest kahemõõtmelistest (2D) pildiandmetest, et need töötaksid inimeste asemel. Selline masin ei pruugi olla võimeline täitma missioone taktikalistes operatsioonides nagu R2-D2. Kuid isesõitvate autode ja droonide puhul on kiire sõidu ajal vaja täpselt tuvastada pidurdusmoment; näotuvastusseadmete puhul on vaja lamedate piltide asemel nägusid täpselt skannida; AR-seadmete puhul reaalajas skannige liitreaalsuse jaoks suuri ruume. Need masinad vajavad mitte ainult 2D-pildiandmeid, vaid ka kolmemõõtmelist (3D) tehnilist tuge. Masin saab 3D-andmeid keerulise arvutusprotsessi kaudu ilma kaamerata, kasutades selliseid abivahendeid nagu ultraheli- või laserseadmed. Kuid nii paljude lisakomponentidega masin lükatakse tarbijate poolt disaini ja hinna poolest tagasi.
Joonis 2: Masina silma vajalikud omadused
Silmade ja aju koostöös näevad inimesed objekte stereoskoopiliselt ning tunnevad ära sügavuse ja kauguse. Sarnase mehhanismi abil saavad masinad tuvastada ka mitmemõõtmelisi objekte ja mõõta kaugusi triangulatsiooni kaudu. Näiteks stereonägemine kasutab tuvastamise efekti saavutamiseks kahte kaamerat ja protsessorit. Kuid sellised mehhanismid kannatavad ka selliste puuduste all nagu arvutuslik keerukus, täpsuse puudumine tasapinna kauguste mõõtmisel ja madal täpsus suhteliselt pimedates kohtades, mis kitsendavad selliste mehhanismide ulatust. Hiljuti on lennuaja (ToF) meetodit kasutatud praktiliseks kasutamiseks alternatiivse meetodina nende puuduste ületamiseks. ToF on lihtne viis kauguse mõõtmiseks, arvutades aega, mis kulub valguse põrgatamiseks objektilt. Seda meetodit on lihtne ja kiire käitada ning sellel on täiendav eelis vahemaade täpseks mõõtmiseks olenemata valgustuskeskkonnast, kuna see kasutab eraldi valgusallikat.
ToF: vahemaa saadakse eralduva valguse edasi-tagasi aja mõõtmisel
Stereoskoopiline nägemine: kaks optilist süsteemi, mis vaatavad sama objekti kahest erinevast punktist sama lähtejoone suhtes
Joonis 3: Stereo Visioni ja ToF objektituvastusmeetodite võrdlus
lennumeetodi aeg
ToF-i võib jagada kahte kategooriasse: otsene ToF (d-ToF, otsene ToF) ja kaudne ToF (i-ToF, kaudne ToF). Vahemaa arvutatakse tagastatud valguse faasierinevuse abil. SK hynix töötas välja need kaks ToF anduritehnoloogiat, et neid erinevates toodetes kasutada. Võimalik, et tuleviku robotitel on üks silm, mis kasutab i-ToF-i objektide äratundmiseks lähedalt, ja teine silm, mis kasutab kaugete objektide uurimiseks d-ToF-i.
Selle artikli eesmärk on selgitada SK hynixi i-ToF tehnoloogiat.
Joonis 4: Kaudse toF ja otsese toF võrdlev analüüs
i-ToF-meetod arvutab faasierinevuse valgusallikast enam kui kahte erinevasse mälestusse kogunenud laengute suhtega pikslis ja mõõdab kaugust vastavalt. Võrreldes d-ToF-iga on sellel mehhanismil kauguse mõõtmisel mõned piirangud, sest kui valgus kaugelt naaseb, on vähem signaale, mida saab vähendatud intensiivsuse tõttu eraldada. Kuid võrreldes d-ToF-iga on selle eeliseks suurem eraldusvõime, kuna piksel on lihtne ahela, piksel võib signaali ise eraldada ja pikslit on lihtne kahandada. i-ToF-i piirangute kompenseerimiseks ja selle eeliste maksimeerimiseks tehakse nüüd palju uuringuid, et parandada signaali ja müra suhet (SNR), suurendada infrapunavalgusallikate kvantefektiivsust (QE) või kasutada taustavalguse eemaldamise meetodeid (BGL). ja laieneda.
Praeguse i-ToF piksli struktuuri saab laias laastus jagada värava struktuuriks ja difusioonistruktuuriks. Värava struktuuri meetod tekitab potentsiaalse erinevuse, rakendades restile moduleeritud pinget ümbritsevate elektronide kogumiseks. Difusioonistruktuur seevastu toimib voolu abil kasutatava fotoonilise demodulaatorina (CAPD), et koguda elektrone, kasutades voolu, mis tekib moduleeritud pinge rakendamisel substraadile. Võrreldes esimesega suudab viimane kiiresti tuvastada sügavamates piirkondades tekkivaid elektrone, muutes ülekande tõhusamaks, kuid nõuab rohkem võimsuse hajutamist, kuna see kasutab mitme koormusega halvemat voolu. Lisaks, kui pikslid muutuvad väiksemaks ja pikslite arv suure eraldusvõime tõttu suureneb, suureneb energiatarbimine veelgi.
CAPD eeliste maksimeerimiseks ja selle piirangute vähendamiseks on SK hynix välja töötanud 10um QVGA-klassi ja 5um VGA-klassi pikslitehnoloogia, kasutades uut struktuuri, mida nimetatakse VFM-iks (vertikaalne väljamodulaator). Järgmisena sukeldume sügavalt VFM-tehnoloogiasse ja selle eelistesse.
VFM Pixeli tehnoloogia eelised
Hea vahemaa mõõtmise anduri hindamiseks on mitmeid kriteeriume, kuid ennekõike peaks see suutma kaugust täpselt tuvastada ja vähendada kütteprobleeme väiksema energiatarbimise kaudu. Teisisõnu, hea andur peab kiiresti tuvastama signaalid suure efektiivsuse ja madala energiatarbega, samas kui see peab signaalid täpselt eraldama faasierinevuste põhjal.
1. SK Hynixi SRÜ taustvalgustusega (BSI) tehnoloogia ja kombinatsioon
Nagu SRÜ, toob ka tagantvalgustatud töötlemine ToF-anduri disainile või jõudlusele mitmeid eeliseid. Lennuaja arvutamiseks kasutatav valgusallikas on infrapunavalgus (IR), sest see peab olema inimsilmale nähtamatu. Ja see arvutab täpseid vahemaid isegi vähese valgusega keskkondades. Infrapuna lainepikkus on nähtava valgusega võrreldes pikem, mis tähendab, et ilma SRÜ-st paksemat plaati kasutamata tungitakse enamik valgust, mille tulemuseks on pikslites äärmiselt madal signaalitase. Kuid see ei tähenda, et paksus võib lõputult kasvada. Sügavamates piirkondades toodetud elektrone on raske kiiresti koguda, nii nagu süvamerepüük on raskem kui kalapüük kalapüügikohtades. Kui esivalgustuse (FSI) asemel kasutatakse tagakülge valgustust, saab signaali kiiresti tuvastada, sest tagakülgne valgustus võimaldab valgust üksteisele lähemale koguda, kus ka õngenöörina toimiv elektriväli projitseeritakse vastasküljelt, muutudes valgusega tugevamaks.
Joonis 5: Esivalgustusega ja tagavalgustusega (läbilaskvus ja valguse kogumine paksuse kohta) võrdlus
I-ToF-i jõudlus sõltub selle võimest eraldada signaale vastavalt laengu kogunemise kiirusele. Sellega seoses võivad eesvalgustusega andurid põhjustada kaugusvigu, sest kui valgus läbib pikslipinda, siseneb see tõenäolisemalt otse tuvastussõlme, ignoreerides faaside erinevust. See on nagu seal on teisi õpilasi klassiruumis, kui nimeline kõne toimub. Esivalgustuses on ka palju piiranguid metalljuhtmetele, et tagada kõrgem täitetegur, samas kui tagasivalgustus võimaldab laiemat valikut metalljuhtmeid, nagu maast vee ammutamine kui puude maharaiumine tihedas metsas Vihmavee kogumine on tõhusam (joonis 6).
Joonis 6: i-ToF võtab erinevate valgustusmeetodite eest tasu kogumismäärasid (analoogne vee maa alla tõmbamisega ja puude maharaiumisega tihedates metsades)
Seda tagavalgustuse eelist on võimalik saavutada, kombineerides SK hynixi SRÜ tagavalgustatud tehnoloogiaga, millel on tehnoloogia pikslite loomiseks, mis on väiksemad kui 1 mikronit.
2. Väike objektiivide massiiv (SLA) ja kraavi struktuuri optiline laineniid ja kvanttõhusus
Vastavalt i-ToF-mehhanismile, mis kasutab laengu kogunemiskiirust, vajame maksimaalset signaali taset, et saada täpseid kaugusandmeid pikematel vahemaadel. Seetõttu on infrapuna lainepikkuse vahemikus kõrge QE hädavajalik.
Nagu eespool mainitud, on infrapunavalguse allika suure läbitungiva jõu tõttu selle valguse intensiivsus nõrgem kui nähtava valguse oma, nii et valguse kogumise sügavus on sügav. Üks võimalus sellega tegelemiseks on tahtlikult moodustada mikrolens-struktuure (väikesed objektiivid, mis on paigutatud vastavalt kaamera objektiivi alla olevate pikslite suurusele ja arvule), mis on kõrgemad, et saavutada parem valguse kogumine, kuid kõrgus on tehniliste piirangute tõttu piiratud. SK hynix on võtnud teistsuguse lähenemisviisi, et sellest puudusest üle saada. Asetades igale pikslile mitu objektiivi, mis on väiksemad kui piksli suurus, suurendab see meetod valgust koguvat sügavust, suurendades seeläbi saadud valguse koguhulka.
Lisaks kaevab SK hynix tagaküljele ka spetsiaalse mustristruktuuri, nii et intsidendi valgus puudutab struktuuri ja peegeldub selles, laiendades valguse ülekandeteed ja suunates valguse modulatsioonialale, vähendades seeläbi valguskadu kiirust ja parandades sama valgustugevuse all ülekande efektiivsust saavutab kahe linnu tapmise ühe kiviga. Tegelikult kinnitab see, et QE on 940nm valgusallika all enam kui kahekordistunud. Kõrgemal QE-l õnnestub vähendada tegelike ja mõõdetud vahemaade vahelist viga varasemate meetoditega võrreldes peaaegu 55%.
Joonis 7: SLA (vasakul) ja kraavi struktureeritud optiline laineklapp (paremal)
3. Tagada madal energiatarbimine ja kõrge jõudlus
Välja arvatud valgusallika energiatarbimine, tarbib ToF-andur kõige rohkem energiat vooluahelas, mis moduleerib signaali töötamisel. Modulatsiooniajami vooluahela võimsus on proportsionaalne läbi plaadi voolava vooluga. Teisisõnu, me saame vähendada energiatarbimist, vähendades substraadi voolu. Lisaks nõuavad täpsed ja täpsed vahemaa mõõtmised lühemaid modulatsiooniperioode ja kiiret signaali tuvastamist. Sõidukit (footonit) tuleb kiirendada gaasipedaalile astudes, et sõita kiiresti sama vahemaa (räni paksus), mis tarbib palju kütust (või voolu). Teise näitena nõuab sügavast kaevust vee tõmbamine rihmaratta tõstmiseks palju jõudu. Aga mis siis, kui sa saaksid põhjavett pumbata? Võite välja tõmmata kogu vajaliku vee vähese vaevaga, lihtsalt lülitage kraan sisse.
VFM-meetod suurendab ammendumispiirkonda, optimeerides piksliioonide implantatsiooni tingimusi ja struktuuri, võimaldades sellel toimida pumbana ja tugevdades vertikaalset elektrivälja. Seetõttu lisatakse voolule elektrivälja jõud, mis võib tõhusalt koguda elektrone ja samal ajal võib see saavutada ka kiire kogumise väikese voolu tingimustes ja suurendada energiatarbimist. Ulatuslikud katsed on näidanud, et kui vool suureneb, kaob VFM-piksli jõudlus, mis tähendab, et see on sobivam struktuur väikese võimsusega ja vool ei ole enam oluline tegur. Teisisõnu parandab meetod piksli jõudlust, kontrollides voolu läbi disaini, mis võimaldab tugevat vertikaalset elektrivälja, nii et see toimib ainult juhendina. Võrreldes QVGA-klassi ToF-anduriga on 5um VGA-klassi ToF-anduril väiksem pikslite suurus ja suurem eraldusvõime, kuid vool piksli kohta väheneb ja energiatarbimise suurenemine on peaaegu null.
Joonis 8: ToF-andurina on VFM-struktuuril tõhusam energiatarbimine
Kokku
SK hynix aitab kaasa majandusliku ja sotsiaalse väärtuse loomisele, võimaldades erinevatel moodulitootjatel siseneda paljudele rakendusturgudele, pakkudes ToF andurite tehnoloogia arendamisel tihedat tehnilist tuge ja andureid.
Tulevikus saame kasutada AR/VR seadmeid, et reisida ümber maailma, kasutada droone pakkide kohaletoimetamiseks, lasta kodurobotitel meile pakke tuua, paluda pühkivatel robotitel meie jaoks puhastada ja isegi istuda isesõitvates autodes, mis töötavad näotuvastusega. Vaata uudiseid autost. Loodame, et need stsenaariumid realiseeruvad uues maailmas, et SK Hynixi süvalahenduse tehnoloogia on avanemas.