Over the years, the "Star Wars" series of movies have always shocked the hearts of countless moviegoers: whether it is the Jedi knights who fought against the evil forces despite the sinister, or the courage and sacrifice of the resistance organization in the face of oppression, and finally through the excellent The strategy to win... Beyond that, the brilliant lightsaber duels in the movie, as well as the actions of droids like R2-D2, C-3PO, and BB-8, are impressive. Without these droids, Star Wars might not have had such an amazing ending.
Roboti un metaversums ir viena no karstākajām tēmām 2022. gada starptautiskajā plaša patēriņa elektronikas izstādē (CES). Mūsdienās mums nederīgas mašīnas, kas nav-cilvēcveidīgas, piemēram, piegādes roboti, pašbraucošas-automašīnas, slaucīšanas roboti un gaisa droni, ir plaši izplatītas. Ņemot vērā CES ietekmi, mēs varam būt uz jaunas ēras sliekšņa: katrā mājā būs vismaz viens robots no tādas zinātniskās-fantastikas filmas kā Zvaigžņu kari.
No otras puses, Covid-19 pandēmijas laikā bezkontakta pakalpojumu attīstībai turpinoties, arvien populārāki kļūst metaversie pakalpojumi, kas apvieno virtuālo un realitāti, un pieprasījums pēc šādiem pakalpojumiem pieaug eksponenciāli. Daudzi cilvēki sāk izmantot paplašinātās realitātes (AR, paplašinātā realitāte) vai virtuālās realitātes (VR, virtuālā realitāte) tehnoloģiju. Drīzumā AR un VR ierīces tiks pārvadātas kā viedtālruņi. Tas ievadīs jaunu ēru, kurā pakalpojumi būs pieejami jebkurā laikā un vietā, kas nozīmē, ka mums vairs nav jāapmeklē bankas vai ražotāji, un mēs varam uzturēt produktus, neieejot rūpnīcā.
1. attēls: Ocado piegādes robots
Mašīnas acs (mašīnredze)
Supported by amazing advances in semiconductor processing and Image Signal Processing (ISP, Image Signal Processing) technology, falling prices, and excellent high-resolution high performance, CMOS image sensor (CIS) technology has become the mainstay of various devices such as smartphones. "Eye". Pixels are what determines camera performance, and competition around them has pushed camera technology to 600 megapixels beyond the human eye.
Bet vai augstas{0}}izšķirtspējas attēli noteikti ir piemēroti mašīnredzei? Progresīvām-iekārtām, kas ir atbildīgas par drošību un drošību, pat ar asākajiem divdimensiju (2D) attēla datiem nepietiek, lai tie darbotos cilvēku vietā. Šāda mašīna var nespēt veikt misijas tādās taktiskās operācijās kā R2-D2. Taču pašbraucošām-automašīnām un droniem ir nepieciešams precīzi noteikt bremzēšanas momentu, braucot-lielā ātrumā; sejas atpazīšanas ierīcēm ir nepieciešams precīzi skenēt sejas, nevis plakanus attēlus; AR ierīcēm — reāllaikā{10}}Skenējiet plašas telpas, lai atrastu paplašināto realitāti. Šīm iekārtām ir nepieciešami ne tikai 2D attēla dati, bet arī trīsdimensiju (3D) tehniskais atbalsts. Iekārta var iegūt 3D datus, izmantojot sarežģītu skaitļošanas procesu bez kameras, izmantojot tādus palīglīdzekļus kā ultraskaņas vai lāzera iekārtas. Tomēr patērētāji noraidītu iekārtu ar tik daudzām papildu sastāvdaļām dizaina un cenas ziņā.
2. attēls. Nepieciešamās iekārtas acs funkcijas
Sadarbojoties acīm un smadzenēm, cilvēki var redzēt objektus stereoskopiski un atpazīt dziļumu un attālumu. Izmantojot līdzīgu mehānismu, mašīnas var arī identificēt daudz{0}dimensiju objektus un izmērīt attālumus, izmantojot trīsstūri. Piemēram, stereo redze izmanto divas kameras un procesoru, lai panāktu atpazīšanas efektu. Tomēr šādiem mehānismiem ir arī trūkumi, piemēram, skaitļošanas sarežģītība, plakņu attālumu mērīšanas precizitātes trūkums un zema precizitāte salīdzinoši tumšās vietās, kas sašaurina šādu mehānismu darbības jomu. Nesen Lidojuma laika-(ToF) metode tika praktiski izmantota kā alternatīva metode šo trūkumu novēršanai. ToF ir vienkāršs veids, kā izmērīt attālumu, aprēķinot laiku, kas nepieciešams, lai gaisma atspēkotu objektu. Šo metodi ir viegli un ātri izmantot, un tai ir papildu priekšrocība, jo tā izmanto atsevišķu gaismas avotu, precīzi mērot attālumus neatkarīgi no apgaismojuma vides.
ToF: attālums tiek iegūts, izmērot izstarotās gaismas -virziena laiku
Stereoskopiskā redze: divas optiskās sistēmas, kas skatās vienu un to pašu objektu no diviem dažādiem punktiem attiecībā pret vienu un to pašu bāzes līniju
3. attēls: Stereo Vision un ToF objektu atpazīšanas metožu salīdzinājums
lidojuma laika metode
ToF var iedalīt divās kategorijās: tiešais ToF (d-ToF, tiešais ToF) un netiešais ToF (i-ToF, netiešais ToF). Attālums tiek aprēķināts, izmantojot atgrieztās gaismas fāzes starpību. SK hynix izstrādāja šīs divas ToF sensoru tehnoloģijas, lai tās izmantotu dažādos produktos. Iespējams, nākotnes robotiem būs viena acs, kas izmanto i-ToF, lai atpazītu objektus tuvākā attālumā, un otra acs, kas izmantos d-ToF, lai izpētītu tālus objektus.
Šī raksta mērķis ir izskaidrot SK hynix i-ToF tehnoloģiju.
4. attēls. Netiešās un tiešās maksas salīdzinošā analīze
i-ToF metode aprēķina fāzes starpību no gaismas avota ar vairāk nekā divās dažādās atmiņās uzkrāto lādiņu attiecību pikseļa ietvaros un attiecīgi mēra attālumu. Salīdzinot ar d-ToF, šim mehānismam ir daži ierobežojumi attāluma mērīšanā, jo, gaismai atgriežoties no attāluma, ir mazāk signālu, ko var atdalīt samazinātas intensitātes dēļ. Tomēr, salīdzinot ar d-ToF, tam ir augstākas izšķirtspējas priekšrocība, jo tā vienkāršās shēmas dēļ pikselis var atdalīt signālu pats, un pikseli ir viegli samazināt. Lai kompensētu i-ToF ierobežojumus un maksimāli palielinātu tā priekšrocības, pašlaik tiek veikts liels pētījums, lai uzlabotu signāla-pret-trokšņu attiecību (SNR), palielinātu infrasarkano gaismas avotu kvantu efektivitāte (QE) vai izmantot metodes fona gaismas (BGL) noņemšanai. un paplašināt.
Pašreizējo i-ToF pikseļu struktūru var aptuveni iedalīt vārtu struktūrā un difūzijas struktūrā. Vārtu struktūras metode rada potenciālu atšķirību, pieliekot režģim modulētu spriegumu, lai savāktu apkārtējos elektronus. No otras puses, difūzijas struktūra darbojas kā strāvas -palīdzēts fotoniskais demodulators (CAPD), lai savāktu elektronus, izmantojot strāvu, kas rodas, substrātam pieliekot modulētu spriegumu. Salīdzinot ar pirmo, pēdējais var ātri noteikt elektronus, kas ģenerēti dziļākos apgabalos, padarot pārsūtīšanu efektīvāku, taču tai ir nepieciešama lielāka jaudas izkliede, jo tiek izmantota vairāku -slodzes zemāka strāva. Turklāt, jo pikseļi kļūst mazāki un pikseļu skaits palielinās augstās izšķirtspējas dēļ, enerģijas patēriņš vēl vairāk palielinās.
In order to maximize the advantages of CAPD and reduce its limitations, SK hynix has developed 10um QVGA-class and 5um VGA-class pixel technology, using a new structure called VFM (Vertical Field Modulator). Next, let's take a deep dive into VFM technology and its benefits.
VFM pikseļu tehnoloģijas priekšrocības
Ir dažādi kritēriji, lai novērtētu labu attāluma mērīšanas sensoru, taču, pirmkārt, tam ir jāspēj precīzi noteikt attālumu un samazināt apkures problēmas, izmantojot mazāku enerģijas patēriņu. Citiem vārdiem sakot, labam sensoram ir ātri jānosaka signāli ar augstu efektivitāti un zemu enerģijas patēriņu, kā arī precīzi jāatdala signāli, pamatojoties uz fāzu atšķirībām.
1. SK hynix's CIS back-illuminated (BSI) technology and combination
Like CIS, back-illuminated processing brings a number of advantages to ToF sensor design or performance. The light source used to calculate the time of flight is infrared light (IR) because it must be invisible to the human eye. And, it calculates accurate distances even in low-light environments. Infrared has a longer wavelength compared to visible light, which means that without using a thicker wafer than CIS, most of the light is penetrated, resulting in extremely low signal levels in the pixels. But that doesn't mean the thickness can grow infinitely. It is difficult to quickly collect electrons produced in deeper regions, just as deep-sea fishing is more difficult than fishing at fishing spots. When backside illumination is used instead of front illuminated (FSI), the signal can be detected quickly because backside illumination allows the light to be collected closer together, where the electric field, which acts as a fishing line, is also projected from the opposite side by become stronger with light.
5. attēls: priekšpuses-apgaismojuma un aizmugures-izgaismošanas salīdzinājums (caurlaidība un gaismas savākšana atkarībā no biezuma)
The performance of i-ToF depends on its ability to separate signals according to the rate of charge accumulation. In this regard, front-illuminated sensors may cause errors in distance, because when light passes through the pixel surface, it is more likely to directly enter the detection node, ignoring the phase difference. It's like there are other students in the classroom when the roll call is taking place. In front-illuminated, there are also many restrictions on metal wiring to ensure a higher fill factor, while back-illuminated allows a wider choice of metal wiring, like drawing water from the ground than cutting down trees in a dense forest Collecting rainwater is more efficient (Figure 6).
6. attēls: i-ToF lādiņu uzkrāšanās ātrums dažādām apgaismojuma metodēm (analoģiski ūdens ievilkšanai pazemē un koku izciršanai blīvos mežos)
Šo aizmugures{0}}apgaismojuma priekšrocību var sasniegt, apvienojot to ar SK hynix CIS aizmugurgaismojuma{1}}tehnoloģiju, kurai ir tehnoloģija, lai izveidotu pikseļus, kas mazāki par 1 mikronu.
2. Mazā lēcu masīva (SLA) tranšeju struktūras optiskais viļņvads un kvantu efektivitāte
Saskaņā ar i-ToF mehānismu, kas izmanto lādiņu uzkrāšanas ātrumu, mums ir nepieciešams maksimālais signāla līmenis, lai iegūtu precīzus attāluma datus lielākā attālumā. Tāpēc augsts QE infrasarkanā viļņa garuma diapazonā ir būtisks.
Kā minēts iepriekš, infrasarkanā gaismas avota lielās iespiešanās spējas dēļ tā gaismas intensitāte ir vājāka nekā redzamās gaismas intensitāte, tāpēc gaismas savākšanas dziļums ir dziļš. Viens veids, kā to risināt, ir apzināti veidot mikroobjektīvu struktūras (maza izmēra objektīvus, kas sakārtoti atbilstoši pikseļu izmēram un skaitam zem kameras objektīva) augstumā, lai panāktu labāku gaismas savākšanu, taču augstums ir ierobežots, jo tehniskie ierobežojumi. SK hynix ir izmantojis citu pieeju, lai novērstu šo trūkumu. Novietojot vairākus objektīvus katram pikselim, kas ir mazāks par pikseļa izmēru, šī metode palielina gaismas savākšanas dziļumu, tādējādi palielinot kopējo saņemtās gaismas daudzumu.
Turklāt SK hynix arī izrauj īpašu raksta struktūru aizmugurē, lai krītošā gaisma pieskartos struktūrai un tiktu tajā atstarota, pagarinot gaismas caurlaidības ceļu un fokusējot gaismu uz modulācijas zonu, tādējādi samazinot gaismas zuduma ātrumu. un uzlabojot pārraides efektivitāti pie tādas pašas gaismas intensitātes, tiek panākta divu putnu nogalināšana ar vienu akmeni. Faktiski tas apstiprina, ka 940 nm gaismas avotā QE ir vairāk nekā divas reizes lielāks. Ar augstāku QE tas izdodas samazināt kļūdu starp faktisko un izmērīto attālumu par gandrīz 55 procentiem salīdzinājumā ar iepriekšējām metodēm.
7. attēls: SLA (pa kreisi) un tranšejas{1}}strukturētais optiskais viļņvads (pa labi)
3. Nodrošiniet zemu enerģijas patēriņu un augstu veiktspēju
Neņemot vērā gaismas avota enerģijas patēriņu, ToF sensors patērē visvairāk enerģijas ķēdē, kas modulē signālu, kad tas darbojas. Modulācijas piedziņas ķēdes jauda ir proporcionāla strāvai, kas plūst caur dēli. Citiem vārdiem sakot, mēs varam samazināt enerģijas patēriņu, samazinot substrāta strāvu. Turklāt precīziem un precīziem attāluma mērījumiem ir nepieciešami īsāki modulācijas periodi un ātra signāla noteikšana. Transportlīdzeklis (fotons) ir jāpaātrina, nospiežot gāzes pedāli, lai ātri nobrauktu tādu pašu attālumu (silīcija biezums), kas patērē daudz degvielas (vai strāvas). Kā vēl viens piemērs, ūdens smelšana no dziļas akas prasa lielu spēku, lai paceltu skriemeli. Bet ko tad, ja jūs varētu sūknēt gruntsūdeņus? Ar nelielu piepūli varat izvilkt visu nepieciešamo ūdeni, vienkārši atveriet jaucējkrānu.
VFM metode palielina izsīkuma reģionu, optimizējot pikseļu jonu implantācijas apstākļus un struktūru, ļaujot tai darboties kā sūknim un nostiprinot vertikālo elektrisko lauku. Tāpēc strāvai tiek pievienots elektriskā lauka spēks, kas var efektīvi savākt elektronus, un tajā pašā laikā tas var arī panākt ātru savākšanu mazas strāvas apstākļos un palielināt enerģijas patēriņu. Plaši eksperimenti ir parādījuši, ka, palielinoties strāvai, VFM pikseļa veiktspēja tiek zaudēta, kas nozīmē, ka tā ir piemērotāka struktūra mazai jaudai, un strāva vairs nav svarīgs faktors. Citiem vārdiem sakot, šī metode uzlabo pikseļa veiktspēju, kontrolējot strāvu, izmantojot konstrukciju, kas nodrošina spēcīgu vertikālu elektrisko lauku, lai tas darbotos tikai kā ceļvedis. Salīdzinot ar QVGA{0}}klases ToF sensoru, 5um VGA-klases ToF sensoram ir mazāks pikseļu izmērs un augstāka izšķirtspēja, taču strāva uz vienu pikseļu ir samazināta, un enerģijas patēriņa pieaugums ir gandrīz nulle. .
8. attēls. Kā ToF sensoram VFM struktūrai ir efektīvāks enerģijas patēriņš
Apkopojiet
SK hynix veicina ekonomiskās un sociālās vērtības radīšanu, ļaujot dažādiem moduļu ražotājiem ienākt plašā lietojuma tirgos, nodrošinot ciešu tehnisko atbalstu un sensorus, vienlaikus attīstot ToF sensoru tehnoloģiju.
In the future, we will be able to use AR/VR equipment to travel around the world, use drones to deliver packages, let home robots bring packages to us, ask sweeping robots to clean for us, and even sit in self-driving cars powered by facial recognition. Watch the news in the car. We expect these scenarios to be realized in the new world that SK hynix's deep solution technology is about to open up.
