Công nghệ lidar từng có giá đến 75.000 USD, đây là cách Apple đã “nhét vừa” núi tiền đó vào thiết bị di động

Liệu chúng ta sắp được thấy công nghệ lidar la liệt khắp nơi? Đó là tương lai đáng để mong chờ lắm chứ!

Trong buổi ra mắt iPhone 12, Apple hồ hởi khoe tính năng của cảm ứng lidar. Hãng nói rằng lidar sẽ tăng cường sức mạnh cho camera iPhone thông qua khả năng lấy nét nhanh hơn, nhất là trong điều kiện thiếu sáng. Lidar thậm chí còn có thể dẫn đường cho một loạt ứng dụng thực tế tăng cường phức tạp hơn trên iPhone 12 và nhiều khả năng là những “quả táo” đời sau nữa.

Buổi ra mắt máy không nói về cách thức lidar hoạt động, nhưng đây cũng chẳng phải lần đầu tiên Apple đưa lidar vào thiết bị của mình; công nghệ này đã xuất hiện kèm chiếc iPad được ra mắt hồi tháng Ba. Dù chưa (mấy) ai trên tay được chiếc iPhone để tiến hành mổ bụng, ta vẫn vẫn biết khá rõ lidar thông qua iPad.

“Đầu tàu” Apple đã gọi tên công nghệ lidar, hãng smartphone nào sẽ tiếp tục hưởng ứng?

Lidar hoạt động bằng cách bắn tia laser ra ngoài môi trường, đo đạc thời gian tia laser bật lại cảm biến ánh sáng để tính khoảng cách chính xác. Bởi tốc độ ánh sáng là một hằng số, chẳng khó để một cảm biến đo được khoảng cách. Liên tục sử dụng lidar bắn hàng loạt tia laser như vậy ra môi trường xung quanh và tạo thành một lưới 2D phủ lên sự vật trong tầm nhìn, hệ thống sẽ tạo ra được một bản đồ 3D cho thấy vị trí của các đồ vật hiện hữu trong không gian được đo.

Báo cáo do System Plus Consulting công bố hồi tháng Sáu chỉ ra rằng lidar của iPad bắn ánh sáng ra ngoài môi trường thông qua một loạt các “lỗ hổng chiều đứng trên bề mặt phát ra laser – vertical cavity surface-emitting lasers ( VCSEL)” do Lumentum phát triển. Ngay sau đó, hệ thống sẽ phát hiện những tia sáng dội về bằng một dải cảm biến có tên “điốt thác photon đơn – single-photon avalanche diode (SPAD)” do Sony sản xuất.

Sự kết hợp giữa VCSEL và SPAD rất đáng chú ý nhờ khả năng tạo ra những lidar mang tính đột phá cho ngành xe cộ. Một trong những điểm sáng của VCSEL và SPAD là cách chế tạo đơn giản, chỉ cần kỹ thuật sản xuất bán dẫn thông thường thôi. Nhờ đó, cả hai hệ thống này đều hưởng lợi lớn từ quy mô ngành bán dẫn hiện tại. Cảm biến sử dụng VCSEL càng đại trà, giá thành nó sẽ càng rẻ và chất lượng sẽ càng tốt.

VCSEL sẽ bắn laser như thế này đây.

Ouster và Ibeo, hai công ty sản xuất lidar chất lượng cao sử dụng VCSEL, là hai cái tên sáng giá nhất trong số lượng lớn các doanh nghiệp theo đuổi công nghệ lidar. Việc Apple sử dụng lidar trong các sản phẩm mới của mình sẽ tạo ra hai làn sóng:

Những hãng smartphone khác sẽ nối gót Apple, công nghệ lidar sẽ đại trà hơn bao giờ hết.

Đây sẽ là cơn gió thuận chiều thổi căng cánh buồm trên con thuyền phát triển của Apple, kể cả công nghệ lẫn lợi nhuận.

Các VCSEL giúp Apple tạo ra những lidar đơn giản hơn trước

Hơn một thập kỷ trước, hãng Velodyne công bố cảm biến ba chiều đầu tiên trên thế giới. Thiết bị xoay này có giá tới 75.000 USD và có kích cỡ không mấy khiêm tốn. Rõ ràng, để nhét vừa lidar vào smartphone, Apple sẽ cần tới những lidar nhỏ và rẻ hơn nhiều; chính hệ thống VCSEL đã giúp Apple đạt được ước nguyện.

Thiết kế lidar cũ của Velodyne.

VCSEL là gì? Nếu bạn sử dụng kỹ thuật sản xuất bán dẫn thông thường để tạo nên một hệ thống bắn laser, bạn sẽ có hai sự lựa chọn. Một là bắn laser từ viền của tấm wafer (hay còn được gọi là kỹ thuật phát laser từ mép), hai là bắn laser từ bề mặt trên của thiết bị (hay còn gọi là các lỗ hổng đứng bề mặt phát ra laser, VCSEL).

Trong lịch sử, hệ thống laser phát ra từ cạnh bên của wafer vẫn mạnh hơn. Dù VCSEL cũng vẫn được dùng trong sản xuất đồ điện tử, ví dụ như chuột quang hay thiết bị internet cáp quang, nhưng VCSEL bị thất sủng do không thể ứng dụng vào các thiết bị yêu cầu lượng ánh sáng phát ra lớn. Tuy nhiên, VCSEL vẫn âm thầm mạnh lên theo thời gian.

Để tạo ra một hệ thống phát laser từ mép, nhà sản xuất sẽ phải xẻ wafer ra và để lộ bộ phát tín hiệu. Do đó, quá trình sản xuất sẽ phức tạp và tốn kém hơn, bên cạnh đó hạn chế số lượng bộ phát laser có trên một wafer. Ngược lại, VCSEL phát ánh sáng vuông góc với wafer, nên không phải tiến hành xẻ giữa wafer ra làm gì.

Trong kỹ thuật phát laser từ mép, ánh sáng sẽ dội qua lại trên thành vật liệu trước khi bắn ra ngoài.

Điều này đồng nghĩa với việc một con chip silicon có thể chứa vừa hàng chục, hàng trăm hay thậm chí hàng ngàn VCSEL. Về cơ bản, khi sản xuất với số lượng lớn, chi phí tạo ra một con chip chứa tới hàng ngàn VCSEL chỉ ở mức vài USD.

Câu chuyện xoay quanh điốt thác photon đơn (SPAD) cũng vậy. Đúng như cái tên đã chỉ ra, SPAD nhạy cảm tới mức có thể phát hiện được một photon đơn lẻ. Độ nhạy cao sẽ đồng nghĩa với việc nó phát hiện được quá nhiều “tạp chất”, vậy nên cần những hệ thống xử lý dữ liệu hiệu quả để ứng dụng được SPAD vào hệ thống lidar. Cũng giống như VCSEL, thế mạnh của SPAD nằm tại khâu sản xuất đơn giản; một con chip nhỏ cũng chứa được tới hàng ngàn SPAD.

Kết hợp VCSEL và SPAD lại, ta có được những thiết kế lidar tiên tiến hơn trước. Thiết bị lidar của Velodyne xưa kia mang trên mình 64 hệ thống bắn tia laser và một cột các trục xoay gimbal. Mỗi hệ thống laser đơn lẻ sẽ đi đôi với một thiết bị nhận. Thiết kế phức tạp, cộng thêm việc phải đặt chính xác đường đi của laser vào với TỪNG cảm biến nhận dạng laser khiến lidar của Velodyne cực kỳ đắt đỏ.

Những năm trở lại đây, một số công ty thử nghiệm lắp thêm một loạt gương nhỏ để lái tia laser. Dù thiết kế mới chỉ yêu cầu một hệ thống phát laser duy nhất, trong lidar vẫn chứa những bộ phận di chuyển được, do đó các nhà nghiên cứu chưa tối ưu hóa được lidar.

Ngược lại, Apple, Ouster và Ibeo hợp tác chế tạo những cảm biến lidar mà không cần tới những bộ phận di chuyển được kia. Bằng hàng trăm cho đến hàng ngàn tia laser bắn ra chỉ từ một con chip, lidar kèm VCSEL có thể sử dụng mỗi tia laser bắn ra cho một điểm riêng biệt trong tầm nhìn của lidar. Và bởi lẽ toàn bộ tia laser nằm gọn trên một chip, việc lắp ráp không nhiêu khê như thiết kế xoay của Velodyne.

Hình vẽ mô tả hệ thống lidar sẽ “nhìn” thấy gì.

Các máy iPhone đời mới sử dụng cảm biến 3D có tên camera TrueDepth, chính là thứ cho phép chức năng FaceID của Apple hoạt động trơn tru. Nó cũng sử dụng một dải các VCSEL do Lumentum sản xuất. TrueDepth vận hành thông qua một lưới 30.000 điểm phủ lên bề mặt của một vật thể, nhằm xác định các hình hài 3 chiều có trong không gian được đo đạc. Nhờ khả năng này, nó có thể “nhìn” rõ mặt bạn lồi (mũi, môi, mắt, …) ở đâu và lõm (má lúm đồng tiền, lỗ mũi, …) chỗ nào.

Cảm biến lidar của iPad sử dụng ít điểm hơn camera TrueDepth, số lượng điểm trên lưới mà lidar phát ra chỉ ở con số vài trăm. Nhưng TrueDepth thì phải ước tính chiều sâu của vật thể 3D dựa trên hình dạng của lưới ánh sáng, trong khi đó cảm biến lidar của iPad đo đạc trực tiếp khoảng cách giữa vật thể và cảm biến. Quá trình thực hiện đo đạc của lidar vừa chính xác hơn, lại vừa hoạt động tốt ở khoảng cách mà TrueDepth gặp khó khăn.

Những hệ thống lidar “xịn” khác cũng sử dụng VCSEL và SPAD

Cảm biến xoay của Ouster.

Khả năng hệ thống lidar của Apple vẫn kém xa so với những thiết bị hiện đại nhất ngành. Velodyne, công ty phát minh ra lidar ba chiều, sản xuất ra loại lidar hoạt động tốt ở khoảng cách 200 mét. Trong khi đó, lidar của Apple chỉ vận hành được trong phạm vi khoảng 5 mét (để so sánh, camera TrueDepth hoạt động tốt ở khoảng cách trung bình 150mm).

Những hệ thống lidar sử dụng VCSEL khác cũng có sức mạnh vượt xa đồ của Apple. Lidar mạnh nhất của Ouster có phạm vi hoạt động lên đến 100 mét, có thể phát hiện ra vật thể khi tỷ lệ phản hồi của laser chỉ là 10%.

Toàn bộ cảm biến do Ouster chế tạo ngày nay đều dựa trên thiết kế xoay cổ điển do Velodyne khởi xướng. Họ đặt trên chip khoảng từ 16 cho tới 128 VCSEL, rồi gắn con chip này lên một khớp gimbal xoay, cũng giống với thiết kế lidar của Velodyne. Tuy nhiên, thiết kế hệ thống thành một thể rắn thống nhất cho phép lidar của Ouster rẻ hơn đồ Velodyne nhiều, biến Ouster thành đối thủ lớn nhất của cha đẻ lidar ba chiều.

Cách đây ít lâu, Ouster công bố kế hoạch chế tạo lidar thể rắn mà không còn bộ phận chuyển động. Thay vì đặt từ 16 cho tới 128 VCSEL lên một chip, lidar mới của Ouster sẽ có 20.000 VCSEL nằm gọn gàng trên một lưới hai chiều.

Công ty Ibeo cũng đang theo đuổi chiến lược thiết kế lidar tương tự, thậm chí còn có cơ hội vượt mặt Ouster. Họ là người tạo nên hệ thống lidar gắn xe hơi được sản xuất với số lượng lớn đầu tiên, ấy là chiếc Audi A8. Hệ thống lidar này vẫn chỉ là hàng cấp thấp thôi: Ibeo đang phát triển một mô hình lidar mới có tên IbeoNext, sở hữu một lưới laser 128×80 pixel, có phạm vi hoạt động lên tới 150 mét và cũng sẽ nhận ra vật thể với chỉ 10% tỷ lệ tia laser dội lại cảm biến.

Lidar IbeoNext.

Còn một doanh nghiệp sản xuất lidar đáng nêu tên nữa là Sense Photonics; họ cũng sử dụng VCSEL và SPAD trong sản phẩm của mình. Tuy nhiên, Sense lại ứng dụng kỹ thuật có tên “in truyền hiển vi” để trải đều các hệ thống phát laser lên bề mặt wafer. Kỹ thuật này cho phép laser lấy được nhiều sức mạnh hơn mà không bị quá nhiệt hay gây kích ứng mắt người nhìn vào. Hiện tại, phạm vi hoạt động của lidar vẫn còn khiêm tốn, nhưng CEO Shauna McIntyre của Sense khẳng định sẽ sớm ra mắt lidar phạm vi 200 mét vào đầu năm 2021.

Lidar sắp thâm nhập vào thị trường xe hơi

Cả Ibeo, Sense và Ouster đều đang dần ra mắt những thiết kế lidar mới với giá thành rẻ, đều mong đợi ngày công nghệ lidar bùng nổ trong ngành chế tạo và sản xuất xe hơi. Cảm biến lidar có thể đưa hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS) trên xe ô tô lên tầm cao mới.

Ví dụ, chúng ta vẫn hay ca tụng xe Tesla với hệ thống ADAS hàng đầu thị trường. Thế nhưng xe Tesla có một lỗi chung: hay đâm phải những vật thể không chuyển động, đôi lúc còn gây ra tai nạn thảm khốc. Khả năng phát hiện vật thể tĩnh của lidar hiệu quả hơn cả camera lẫn hệ thống radar, nên lidar sẽ sớm trở thành phần không thể thiếu của hệ thống hỗ trợ lái xe lẫn những hệ thống tự hành của tương lai.

Tới thời điểm này, công nghệ lidar vẫn quá đắt đỏ để có thể tìm được được vào xưởng lắp ráp ô tô. Thế nhưng, những cải tiến trong thời gian gần đây sẽ sớm đưa giá thành lidar xuống dưới mốc 1.000 USD.

Lidar sẽ cho phép xe tự hành an toàn hơn.

Ouster dự tính sản xuất hàng loạt cảm biến ES2 của họ vào năm 2024. Họ nói rằng chi phí ban đầu sẽ ở mức 600 USD/sản phẩm, nhưng rồi sẽ giảm xuống chỉ còn 100 USD/sản phẩm vào những năm tiếp theo.

Ibeo chưa công bố giá thành của IbeoNext, nhưng họ thông báo rằng mình đã ký được hợp đồng với Great Wall Motors, một doanh nghiệp sản xuất xe lớn của Trung Quốc. Dự kiến, những lô IbeoNext đầu tiên sẽ xuất xưởng vào năm 2022.

Những công ty sử dụng thiết kế lidar không VCSEL cũng đang ráo riết tìm chỗ đứng trong ngành sản xuất ô tô. Một trong những cái tên sáng giá là Luminar, và họ cũng mới công bố kế hoạch cộng tác với Volvo hồi tháng Năm vừa rồi. Dự kiến, chiếc Volvo đầu tiên gắn lidar của Luminar sẽ chạm mặt đường vào năm 2022.

Những thiết kế lidar này đều có những điểm mạnh và điểm yếu riêng. Cho tới giờ, lidar của Luminar có phạm vi hoạt động xa nhất – lên tới 250 mét. Để có được khả năng này, Luminar sử dụng tia laser có bước sóng 1550nm, vượt xa khỏi phạm vi nhìn được của mắt thường. Cũng tại bước sóng này, tia laser không gây kích ứng mắt, tức là Luminar có thể có được laser cực mạnh mà không gây ảnh hưởng tới nhãn lực người dùng. Tầm nhìn của lidar tới từ hãng Luminar cũng rộng hơn so với thiết bị của Ouster.

Câu hỏi lớn nhất dành cho Luminar ở thời điểm hiện tại: lidar của họ có thể rẻ hơn 1.000 USD được không? Trong bài phỏng vấn được ArsTechnica thực hiện 2 năm trước, CEO Austin Russel của Luminar trả lời rằng họ sẽ phải đẩy giá “xuống mức số có một chữ số đứng hàng nghìn” để có thể đại trà hóa được sản phẩm. Dựa vào câu trả lời này, có thể nhận định giá của lidar Luminar có giá không dưới 10.000 USD ở thời điểm được hỏi. Tuy nhiên, Luminar nói rằng họ đang trên lộ trình giảm giá thành lidar xuống dưới 1.000 USD trong vài năm tới.

Ngược lại, Ouster và Ibeo chẳng phải lo việc hạ giá thành lidar. Trở ngại lớn nhất của họ hiện tại là đạt được phạm vi hoạt động 200 mét – mốc được nhận định chung là đủ để xe tự hành hoạt động trên cao tốc.

“VCSEL không phát ra được laser lớn như các hệ thống lidar truyền thống”, CEO Angus Pacala của Ouster nói trong một bài phỏng vấn năm 2018. “Nếu bạn làm ra một mô hình thực tế với hai dải SPAD và VCSEL, bạn sẽ chẳng tạo ra được mấy hiệu năng”. Tuy nhiên, CEO Pacala cũng nói Ouster đã đạt được nhiều đột phá để từng bước đạt được mục đích.

Cả Ouster, Ibeo và Sense đều phải tìm cách kết hợp VCSEL và SPAD sao cho phạm vi hoạt động của lidar chạm mốc 200 mét, tương đương với cả lidar khác. Nếu họ làm được điều đó, cái giá rẻ mà ba doanh nghiệp này đưa ra sẽ là hợp đồng béo bở của bất cứ hãng sản xuất ô tô nào.

Nếu không làm được, ba doanh nghiệp sẽ phải tìm điểm đến nào khác “thấp giá” hơn ngành ô tô.