Highlight

Singular Photonics เปิดตัว Litavis เซนเซอร์ภาพ CMOS SPAD โครงสร้าง 3D-Stacked BSI รุ่นใหม่ ที่มาพร้อมระบบประมวลผลสัญญาณอนุภาคแสง (Digital Photon Processing) ในระดับ In-Pixel และ On-Chip ช่วยลดคอขวดของการส่งข้อมูลดิบขนาดใหญ่ ออกแบบมาให้ยืดหยุ่นด้วยสถาปัตยกรรมที่ปรับแต่งผ่านซอฟต์แวร์ (Software-Configurable) รองรับการวัดความเข้มแสง Time-Stamping และ Histogramming พร้อมกัน เหมาะอย่างยิ่งสำหรับ Machine Vision, Physical AI, หุ่นยนต์ และงานวิจัยวิทยาศาสตร์

In Detail

ลองนึกภาพกล้องถ่ายรูปที่ไม่ได้แค่มองเห็น “แสงสว่างหรือความมืด” แต่มองเห็นและนับ “อนุภาคโฟตอน” แต่ละตัวที่เดินทางมาตกกระทบได้อย่างแม่นยำระดับพิกัดเวลา! วันนี้เราจะพาไปรู้จักกับนวัตกรรมใหม่ล่าสุดจาก Singular Photonics ที่มีชื่อว่า Litavis เซนเซอร์ภาพตระกูล SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) ซึ่งก้าวข้ามขีดจำกัดเดิมๆ ด้วยการฝังสมองประมวลผลดิจิทัลลงไปในระดับพิกเซล ทำให้เซนเซอร์ไม่เพียงแค่อ่านค่าแสง แต่ยังคิดและคัดกรองข้อมูลได้เองในตัว

หากจะพูดถึงขีดสุดของการรับแสงในโลกของเซนเซอร์ภาพ ชื่อของเทคโนโลยี SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) คือหนึ่งในเทคโนโลยีระดับเจ็ดสิ่งมหัศจรรย์ของวงการอิเล็กทรอนิกส์

ความพิเศษของ SPAD คือความไวแสงขั้นสุดยอดที่ทำงานอยู่บนหลักการ Avalanche Breakdown เมื่อมีแสงเพียงแค่ “โฟตอน” (Photon) หรืออนุภาคแสงเดี่ยวๆ เดินทางมาตกกระทบ ตัวเซนเซอร์จะเกิดการทวีคูณของกระแสไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว จนสามารถตรวจจับและติดประทับพิกัดเวลา (Time-Stamping) ของโฟตอนตัวนั้นๆ ได้ด้วยความแม่นยำสูงในระดับพิโควินาที (Picoseconds)

ด้วยคุณสมบัติที่มองเห็นแสงได้ละเอียดถึงระดับอนุภาคนี้เอง SPAD จึงกลายเป็นหัวใจสำคัญของเทคโนโลยีการวัดระยะทางและสร้างภาพ 3 มิติแห่งยุค ไม่ว่าจะเป็นระบบ LiDAR ในรถยนต์ไร้คนขับ, ระบบ Depth Sensing ในอุปกรณ์ AR/VR, งานกล้องถ่ายภาพความเร็วสูงระดับล้านเฟรมต่อวินาที ไปจนถึงงานวิจัยทางชีววิทยาขั้นสูง เช่น การส่องดูการเรืองแสงของเซลล์ในระดับโมเลกุล (TCSPC – Time-Correlated Single Photon Counting)

แต่เบื้องหลังความเทพนี้… เซนเซอร์ SPAD แบบดั้งเดิมกลับมีบทบาทเป็นเพียง “คนเก็บข้อมูลดิบ” เท่านั้น

ในสถาปัตยกรรมแบบเดิม พิกเซลของ SPAD จะทำหน้าที่แค่วัดการมาถึงของโฟตอน แล้วส่งสัญญาณดิจิทัลหรือค่าเวลาดิบ (Raw Event Data) ออกไปข้างนอกชิปทันที เพื่อโยนภาระทั้งหมดไปให้หน่วยประมวลผลภายนอก อย่าง FPGA, DSP หรือ CPU/GPU หลัก เป็นผู้รับหน้าที่นำข้อมูลเหล่านั้นไปคำนวณ ประมวลผล และสร้างเป็นภาพหรือแผนที่ความลึกใหม่อีกที

การทำงานแบบแยกส่วน “ตาชิปแค่มอง แต่สมองอยู่อีกที่” เช่นนี้ จึงกลายเป็นจุดเริ่มต้นของข้อจำกัดขนาดใหญ่เมื่อเราต้องการสร้างระบบภาพ real-time ที่มีความละเอียดและจำนวนพิกเซลที่สูงขึ้นในยุคปัจจุบัน

ยิ่งเมื่อขยายอาร์เรย์ของ SPAD ให้มีจำนวนพิกเซลมากขึ้น ข้อมูล Time-Stamped ของโฟตอนแต่ละตัวก็ยิ่งเพิ่มขึ้นอย่างมหาศาล จนกลายเป็นคอขวดของระบบ (Data Bottleneck) ทั้งภาระในการส่งข้อมูลที่สูงขึ้น ความล่าช้า (Latency) ที่เพิ่มขึ้น และการใช้พลังงานในการประมวลผลที่มากขึ้นตามไปด้วย นอกจากนี้ หากต้องการเปลี่ยนรูปแบบการวัดแสง วิศวกรมักต้องปรับเปลี่ยนหรือออกแบบฮาร์ดแวร์ใหม่ในหลายส่วน

Litavis จึงขอเข้ามาแก้ปัญหาด้วยการขอพลิกโฉมวงการด้วยการออกแบบโครงสร้างแบบ 3D-Stacked, Back-Side-Illuminated (BSI) ที่ย้ายวงจรประมวลผลไปซ่อนไว้ด้านหลังพิกเซล ส่งผลให้มีพื้นที่รับแสง (Fill Factor) สูงถึง 100% ผ่านการใช้ไมโครเลนส์ร่วมด้วย เซนเซอร์ตัวนี้สามารถถ่ายภาพนับโฟตอนความละเอียด 256×256 พิกเซลแบบต่อเนื่องในสภาวะแสงน้อย พร้อม ระบุเวลาในการตรวจจับแต่ละครั้ง บนตารางขนาด 64×64 Macropixel ยิ่งไปกว่านั้น ยังให้ประสิทธิภาพการตรวจจับโฟตอน (PDE) สูงถึง 47% ที่ความยาวคลื่น 785 nm มีความละเอียดด้านเวลาแม่นยำระดับ 37 Picoseconds (ps) และมี Dead Time สั้นเพียง 4.3 Nanoseconds (ns) เทคโนโลยีนี้จึงส่งผลดีอย่างมากต่อการพัฒนาระบบหุ่นยนต์อัตโนมัติ (Robotics) Physical AI ระบบ Machine Vision ในโรงงานอุตสาหกรรม การสแกนความลึก 3 มิติ ไปจนถึงภาพถ่ายทางการแพทย์และวิทยาศาสตร์

แต่ความโดดเด่นของ Litavis ไม่ได้หยุดอยู่แค่การเพิ่มประสิทธิภาพในการรับและตรวจจับโฟตอนเท่านั้น เพราะอีกหนึ่งความก้าวหน้าสำคัญคือการนำความสามารถด้านการประมวลผลเข้ามาไว้ใกล้กับจุดกำเนิดข้อมูลมากที่สุด โดย Litavis เซนเซอร์ภาพ CMOS SPAD ได้ฝังสมองประมวลผลดิจิทัลลงไปในระดับพิกเซล หรือ “In-Pixel & On-Chip Processing” ทำให้สามารถจัดการและประมวลผลข้อมูลโฟตอนได้โดยตรงบนเซนเซอร์ ส่งผลให้มีข้อดีเพิ่มเติมดังนี้

1. แก้ปัญหา “ข้อมูลทะลัก” (Data Tsunami & Bottleneck)
เซนเซอร์แบบ SPAD ไม่ได้วัดแค่ “ความเข้มแสง” เหมือนกล้องทั่วไป แต่ตรวจจับและบันทึก “พิกัดเวลา” (Time-Stamping) ของโฟตอนทุกๆ ตัว ที่เดินทางมาตกกระทบ

• ถ้าเซนเซอร์ทำหน้าที่แค่รับแสงแล้วส่งข้อมูลดิบ (Raw Data) ออกไปภายนอกทั้งหมด ข้อมูลขนาดมหาศาลจะทะลักออกมาจนสายส่งข้อมูล (I/O Bus) รับไม่ไหว เกิดคอขวด
• การแก้ปัญหา: การฝังสมองลงไปในพิกเซลช่วยให้เซนเซอร์สามารถนับ สรุปผล และทำ Histogramming ได้ตั้งแต่ในชิป แล้วส่งออกไปเฉพาะ “ผลลัพธ์ที่ประมวลผลแล้ว” เท่านั้น ปริมาณข้อมูลที่ต้องส่งออกจึงลดลงมหาศาล

2. ลดความหน่วง (Ultra-Low Latency) เพื่อการตอบสนองแบบ Real-Time
ในงานประเภท Physical AI, หุ่นยนต์อัตโนมัติ (Robotics) หรือระบบขับขี่อัตโนมัติ การรอให้ข้อมูลเดินทางออกจากเซนเซอร์ไปที่ CPU/GPU แล้วค่อยประมวลผลคำนวณระยะทาง จะใช้เวลานานเกินไป

• การคิดและวิเคราะห์ค่าความลึก (Depth) หรือคุณลักษณะของเหตุการณ์ (Event Characteristics) เสร็จสิ้นทันทีในระดับพิกเซล ช่วยให้ระบบตัดสินใจตอบสนองได้แบบทันทีทันใด (Instant Response)

3. ประหยัดพลังงาน (Power Efficiency)
กระบวนการย้ายข้อมูลดิบขนาดใหญ่ (High-Speed Raw Data Transfer) ข้ามผ่านแผงวงจรไปยังหน่วยประมวลผลภายนอก เป็นส่วนที่ใช้พลังงานไฟฟ้าสูงมาก

• การคัดกรองข้อมูลตั้งแต่ต้นทาง ช่วยลดพลังงานในการรับส่งข้อมูล และลดภาระของโปรเซสเซอร์หลัก ทำให้ระบบโดยรวมกินไฟน้อยลง เหมาะสำหรับอุปกรณ์พกพา โดรน หรือหุ่นยนต์ที่ใช้แบตเตอรี่

4. ยืดหยุ่นสูง ปรับเปลี่ยนโหมดได้ด้วยซอฟต์แวร์ (Software-Configurable)
วงจรประมวลผลดิจิทัลในพิกเซลเปิดโอกาสให้สถาปัตยกรรมของเซนเซอร์มีความเป็น Programmable

• ผู้ใช้งานสามารถสั่งปรับโหมดการทำงานผ่านซอฟต์แวร์ เช่น เปลี่ยนจากการนับจำนวนโฟตอน (Intensity) เป็นการวัดเวลาตกกระทบ (Timing) หรือทำ Histogramming พร้อมๆ กันได้ในเซนเซอร์ตัวเดียว โดยไม่ต้องออกแบบวงจรฮาร์ดแวร์ใหม่

Bunpajarn Insight

การเปิดตัว Litavis ถือเป็นก้าวสำคัญของเทคโนโลยี Edge Sensing และ In-Sensor Computing สำหรับวงการ Photonic ICs การย้ายระบบประมวลผลสถิติโฟตอนอย่างการทำ Histogramming ลงไปไว้ในระดับ In-Pixel บนโครงสร้าง 3D-Stacked BSI ช่วยแก้ปัญหา I/O Bandwidth ล้นระบบได้อย่างตรงจุด และลดภาระการทำงานของ FPGA หรือ Host Processor ภายนอกได้อย่างชัดเจน ทำให้ระบบสามารถเลือกดึงเฉพาะข้อมูล Insights เช่น ค่า Depth หรือลักษณะเฉพาะทางเวลา (Temporal Characteristics) ไปใช้งานได้ทันที เซนเซอร์ตัวนี้รองรับ Multi-Modal ที่สามารถรัน Intensity Imaging ควบคู่กับ Timing ได้พร้อมกัน รวมถึงมีความแม่นยำด้านเวลาสูงถึง 37 ps จึงเหมาะสมอย่างยิ่งกับงาน LiDAR, Time-Resolved Spectroscopy และ TCSPC

อย่างไรก็ตาม ในการนำไปใช้งานจริงก็ยังมีข้อสังเกตบางประการ แม้ส่วนภาพรวม (Intensity) จะได้ความละเอียด 256×256 พิกเซล แต่ในโหมด Timing จะถูกลดทอนลงมาเหลือตาราง 64×64 Macropixel เพื่อรักษาสมดุลของพื้นที่ In-Pixel Logic และการระบายความร้อน นอกจากนี้ สถาปัตยกรรมที่ปรับแต่งด้วยซอฟต์แวร์ได้ (Software-Configurable) ยังต้องพึ่งพาชุดคำสั่ง (SDK) และไดรเวอร์ที่มีความซับซ้อน เพื่อให้วิศวกรดึงศักยภาพระดับฮาร์ดแวร์ออกมาใช้งานได้เต็มที่ ทั้งนี้ ทาง Singular Photonics ยังไม่ได้ระบุกำหนดการและไทม์ไลน์ในการวางจำหน่ายอย่างเป็นทางการ ทำให้อุตสาหกรรมอาจจะต้องใช้เวลาอีกระยะกว่าที่จะได้เห็นชิปตัวนี้เข้าสู่กระบวนการผลิตในระดับ Mass Production ได้จริง

Source : EDN
Product Page : Products – Singular Photonics

---

Translated and edited by Bunpajarn

Bunpajarn | Learn • Share • Grow Together.
พื้นที่สำหรับคนที่รักและสนใจ Electronics & Embedded