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进击的国产VCSEL芯片拉开「消费光子」时代序幕

如果这个世界没有GPU会怎样?似乎一切都无法正常运转了。

在人工智能引领的第四次工业革命中,让智能机器“开眼看世界”,需要光作为介质,而这离不开作为光源的VCSEL芯片。 

三万多个肉眼看不到的红外点光源发射到面部,再反射回来计算识别,屏幕解锁。2017年,IphoneX一进入市场,其首次搭载的面部识别技术让3D光学传感技术进入大众视野。其中负责发射光源的VCSEL芯片也迎来了一次历史性机会。

“当今所有的产品都是由光、机、电、算四大类组成的,第一次工业革命是机械化革命,第二次工业革命是电气化革命,第三次工业革命是从分离式器件到集成电路,第四次工业革命就是光和算的革命,” 中科院西安光机所副研究员米磊博士曾说。

让机器看到环境并理解环境,实现对人类更深层次的赋能和解放,3D传感的核心器件VCSEL芯片,在人工智能这个巨大的赛道中,不可或缺。

在激光打印机、光学鼠标、气体传感器、活体检测等B端领域,以及汽车激光雷达(LiDAR)、辅助驾驶、虹膜识别、 AR/VR 、机器人视觉、医疗美容等C端领域,VCSEL芯片作为光源的3D传感都已经有了不同程度的渗透。“消费光子”取代“消费电子”的时代序幕正在被缓缓拉开。 

“无论是碳基生物、还是硅基生物,数据的来源无非是视觉、听觉。我们做的是‘眼睛’的事,”瑞识科技创始人汪洋说。

 消费光子时代来临

20世纪中叶,单个晶体管到集成电路的进化,直接了促成人类信息革命的爆发,拉开了消费电子的序幕,造就了近50年来无数的科技奇迹和伟大企业。

如今,正如集成电路的兴起引领了消费电子的浪潮,光学的进化也悄然拉开“消费光子”的序幕。从电到光,离不开核心器件的变革。 

作为光源的VCSEL并不是完全的新事物。其概念首次由日本东京工业大学伊贺教授在1977年提出,日本在2000年左右便实现了分立型VCSEL的量产。但现在的VCSEL设计理念已完全不同,阵列型让设计理念,量产工艺难度上了一个阶梯。

在一个全自动化生产产线上,要在几英寸大小的晶元上精准放入上万个VCSEL,对工艺设计是很大的挑战。而消费级应用,又对大规模量产的良产率提出了更高的要求。 

要想走向消费级,首先在于高集成度,也就是小体积,要知道一台iPhoneX有三个地方都有VCSEL组件。其次在于低成本,便于商业化。 

回溯消费电子的发展历程,同样,“纳米尺度”与“规模性低成本”是集成电路技术使得电子进入消费级的两大特征。 

作为VCSEL国产替代先行者的深圳瑞识科技,除了在VCSEL芯片端发力,还独创性地把光学透镜整合到光源器件上,将整个发射模组缩小60%。瑞识还在业内率先提出“芯占比”的概念。类似手机行业的屏占比的定义,“芯占比”是指光芯片面积和芯片封装后器件面积的比值,是衡量光器件封装集成度的指标。 

市调机构Yole指出,在未来五年,VCSEL将持续维持爆炸式的成长,其商业机会将成长10倍以上,2017年至2023年年均复合增长率(CAGR)将达31% ,而市场规模预计从2017年的6.52亿颗攀升至2023年的33亿颗。 

智能汽车是光芯片的一个巨大应用场景。光芯片作为获取信息的渠道,除了应用于自动驾驶核心部件激光雷达外,还可应用于内部的智能操控,比如疲劳驾驶检测,身份认证,中控手势识别等。 

智能家居是另一个大赛道。比如360今年6月发布第五代扫地机器人技术,能精确绕开家中的拖鞋、袜子、小孩玩具、电器线材等,甚至还可以完美回避宠物粪便,其搭载“类人眼”黑科技就是3D传感。

小到移动终端的应用,仅手机一种,就有人脸识别、近距3D建模、AR、VR等一系列应用。还有其他的高频生活场景,比如3D支付、人脸识别智能锁等。

进击的VCSEL国产替代

和其他很多芯片一样,VCSEL同样是一个几乎被欧美日三个地区的厂商垄断的领域。

主要的生产商有美国的鲁门特姆(Lumentum)、Finisar/II-VI、博通(Broadcom )、日本的SONY,住友电工、奥地利的AMS,以及位于台湾的合资企业华立捷HLJ。其中有稳定的量产能力的基本也只有苹果的供应商Lumentum。而国内更是一直未有高良率、高可靠性的量产VCSEL产品。

技术难度首先在于工艺。VCSEL已经到了手机这种巨量的消费级的下游需求,对工艺设计有很大的挑战。调参数、做平衡,做VCSEL芯片就像老师傅调制配方一样,是一个仰仗经验的高端制造行业

难度之二在于生产线。据国内一位芯片专家说,这么多年就连 Lumentum也花了很多冤枉钱,寻找适配的产业链上下游。

瑞识科技的创始人汪洋曾在美国硅谷学习工作了15年,瑞识的核心团队来自Lumentum, Avago、华为等行业顶级公司。即使这样,汪洋认为国内跟国外最根本的差距还是人才,但这个gap正在慢慢弥合。

在高捷资本观察看来,过去十年伴随几大芯片巨头崛起,时代培养了大量优秀的华人工程师和科学家。他们拥有被证明的技术能力、完整的产品经验以及对全球行业的宏观审视。 

近年IC人才归国潮无疑是一次历史性的契机。

和汪洋博士一样,唐晶量子的创始人龚平博士早已拿到英国国籍,他在世界顶级的化合物半导体外延英国制造商IQE拥有将近 9 年的研发、产品经历,曾负责全球最高端指标的 GaAs 外延产品。目前,唐晶量子是国内极少数具备小批量量产能力,并具备商用参数水准的大尺寸GaAs外延厂商。

“半导体光学芯片领域,国内的力量还没起来,但这些事情总要有人做的。同时,终端应用场景还在不断涌现,并且光芯片与光学系统结合,并达到应用端的最大优化,还有很多事情要做,即使是国际头部公司也是刚刚起步,”汪洋博士说。

中美贸易战紧张局势的另一面,是带给科技领域国产替代一个巨大的增量市场。也是高捷资本(ECC)三期基金的投资逻辑之一。目前瑞识科技已经完成两轮总共近亿元级别的融资。

知难不难,带着科技报国的情怀,和推动中国的工业体系从完整到先进的历史使命感,在这场“消费光子”引领的第四次工业革命中,中国力量正在崛起。

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