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.
روبوٹ اور میٹاورس 2022 کے بین الاقوامی کنزیومر الیکٹرانکس شو (CES) میں سب سے زیادہ گرم موضوعات میں سے ایک ہیں۔ آج، غیر-ہیومینائڈ مشینیں جو ہمارے لیے کام کرتی ہیں عام ہیں، جیسے ڈیلیوری روبوٹ، خود-کاریں چلانے والے، صاف کرنے والے روبوٹس، اور فضائی ڈرون۔ CES کے اثرات کو دیکھتے ہوئے، ہم ایک نئے دور کے دہانے پر پہنچ سکتے ہیں: ہر گھر میں کم از کم ایک روبوٹ ہوگا جس میں سٹار وارز جیسے سائنس فائی فلم کے سین سے۔
دوسری طرف، چونکہ COVID-19 وبائی مرض کے دوران کنٹیکٹ لیس سروسز میں تیزی آتی جارہی ہے، میٹاورس سروسز جو ورچوئل اور ریئلٹی کو یکجا کرتی ہیں مقبولیت حاصل کر رہی ہیں اور ایسی خدمات کی مانگ تیزی سے بڑھ رہی ہے۔ بہت سے لوگ Augmented Reality (AR, Augmented Reality) یا Virtual Reality (VR, Virtual Reality) ٹیکنالوجی استعمال کرنا شروع کر دیتے ہیں۔ جلد ہی، AR اور VR ڈیوائسز کو اسمارٹ فونز کی طرح لے جایا جائے گا۔ یہ ایک نئے دور کا آغاز کرے گا جہاں خدمات کسی بھی وقت، کہیں بھی دستیاب ہوں گی، جس کا مطلب ہے کہ ہمیں اب بینکوں یا مینوفیکچررز کے پاس جانے کی ضرورت نہیں ہے، اور ہم فیکٹری میں داخل ہوئے بغیر مصنوعات کو برقرار رکھ سکتے ہیں۔
شکل 1: اوکاڈو ڈیلیوری روبوٹ
مشین کی آنکھ (مشین ویژن)
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.
لیکن کیا اعلیٰ-ریزولوشن والی تصاویر مشین کے وژن کے لیے ضروری ہیں؟ حفاظت اور حفاظت کے لیے ذمہ دار جدید ترین مشینوں کی آنکھوں کے لیے، حتیٰ کہ تیز ترین دو-تصویری ڈیٹا بھی ان کے لیے انسانوں کی جگہ کام کرنے کے لیے کافی نہیں ہے۔ اس طرح کی مشین R2-D2 جیسے ٹیکٹیکل آپریشنز میں مشن انجام دینے کے قابل نہیں ہوسکتی ہے۔ لیکن کاروں اور ڈرونز کو خود چلانے کے لیے، تیز رفتار-ڈرائیونگ کے دوران بریک لگنے کے لمحے کو درست طریقے سے پہچاننا ضروری ہے۔ چہرے کی شناخت کرنے والے آلات کے لیے، فلیٹ امیجز کے بجائے چہروں کو درست طریقے سے اسکین کرنا ضروری ہے۔ اے آر ڈیوائسز کے لیے، ریئل ٹائم-بڑی جگہوں کو بڑھایا ہوا حقیقت کے لیے اسکین کریں۔ ان مشینوں کو نہ صرف 2D امیج ڈیٹا بلکہ سہ جہتی (3D) تکنیکی مدد کی بھی ضرورت ہوتی ہے۔ ایک مشین الٹراساؤنڈ یا لیزر آلات جیسے ایڈز کے ساتھ بغیر کیمرے کے پیچیدہ کمپیوٹیشنل عمل کے ذریعے 3D ڈیٹا حاصل کر سکتی ہے۔ تاہم، بہت سے اضافی اجزاء والی مشین کو صارفین ڈیزائن اور قیمت کے لحاظ سے مسترد کر دیں گے۔
تصویر 2: مشین کی آنکھ کی ضروری خصوصیات
آنکھوں اور دماغ کے تعاون سے، لوگ دقیانوسی طور پر اشیاء کو دیکھ سکتے ہیں اور گہرائی اور فاصلے کو پہچان سکتے ہیں۔ اسی طرح کے طریقہ کار کے ذریعے، مشینیں کثیر جہتی اشیاء کی شناخت بھی کر سکتی ہیں اور تکون کے ذریعے فاصلوں کی پیمائش کر سکتی ہیں۔ مثال کے طور پر، سٹیریو وژن دو کیمرے اور ایک پروسیسر کا استعمال کرتا ہے تاکہ شناختی اثر حاصل کیا جا سکے۔ تاہم، اس طرح کے میکانزم میں کمپیوٹیشنل پیچیدگی، ہوائی جہاز کے فاصلے کی پیمائش میں درستگی کی کمی، اور نسبتاً تاریک جگہوں پر کم درستگی جیسی خرابیوں کا بھی سامنا کرنا پڑتا ہے، جو اس طرح کے میکانزم کا دائرہ کم کرتے ہیں۔ حال ہی میں، ان کوتاہیوں پر قابو پانے کے لیے-وقت-فلائٹ (ToF) طریقہ کو ایک متبادل طریقہ کے طور پر عملی استعمال میں لایا گیا ہے۔ ToF روشنی کو کسی چیز سے اچھالنے میں لگنے والے وقت کا حساب لگا کر فاصلے کی پیمائش کرنے کا ایک آسان طریقہ ہے۔ یہ طریقہ چلانے میں آسان اور تیز ہے، اور روشنی کے ماحول سے قطع نظر فاصلوں کو درست طریقے سے ماپنے کا اضافی فائدہ ہے کیونکہ یہ ایک الگ روشنی کا ذریعہ استعمال کرتا ہے۔
ToF: فاصلہ خارج ہونے والی روشنی کے راؤنڈ-ٹرپ ٹائم کی پیمائش کر کے حاصل کیا جاتا ہے
سٹیریوسکوپک وژن: دو نظری نظام ایک ہی چیز کو ایک ہی بیس لائن کے نسبت دو مختلف پوائنٹس سے دیکھتے ہیں۔
شکل 3: سٹیریو ویژن اور ToF آبجیکٹ کی شناخت کے طریقوں کا موازنہ
پرواز کا طریقہ
ToF کو دو زمروں میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: براہ راست ToF (d-ToF، براہ راست ToF) اور بالواسطہ ToF (i-ToF، بالواسطہ ToF)۔ فاصلہ واپس آنے والی روشنی کے مرحلے کے فرق کا استعمال کرتے ہوئے شمار کیا جاتا ہے۔ SK hynix نے ان دو ToF سینسر ٹیکنالوجیز کو مختلف مصنوعات میں استعمال کرنے کے لیے تیار کیا۔ ممکنہ طور پر، مستقبل کے روبوٹ کی ایک آنکھ ہوگی جو i-ToF کو قریب سے موجود اشیاء کو پہچاننے کے لیے استعمال کرتی ہے، اور دوسری آنکھ جو دور کی چیزوں کو تلاش کرنے کے لیے d-ToF کا استعمال کرتی ہے۔
اس مضمون کا مقصد SK hynix کی i-ToF ٹیکنالوجی کو واضح کرنا ہے۔
شکل 4: بالواسطہ ToF اور براہ راست ToF کا تقابلی تجزیہ
i-ToF طریقہ روشنی کے منبع سے ایک پکسل کے اندر دو سے زیادہ مختلف یادوں میں جمع ہونے والے چارجز کے تناسب کے ساتھ مرحلے کے فرق کا حساب لگاتا ہے، اور اس کے مطابق فاصلے کی پیمائش کرتا ہے۔ d-ToF کے مقابلے میں، اس طریقہ کار میں فاصلے کی پیمائش میں کچھ حدود ہیں کیونکہ جب روشنی دور سے واپس آتی ہے، تو کم سگنل ہوتے ہیں جو کم شدت کی وجہ سے الگ ہو سکتے ہیں۔ تاہم، d-ToF کے مقابلے میں، اس میں زیادہ ریزولوشن کا فائدہ ہے، کیونکہ اس کے سادہ سرکٹ کی وجہ سے، پکسل سگنل کو خود سے الگ کر سکتا ہے، اور پکسل کو سکڑنا آسان ہے۔ i-ToF کی حدود کو پورا کرنے اور اس کے فوائد کو زیادہ سے زیادہ کرنے کے لیے، اب سگنل-سے-شور کے تناسب (SNR) کو بہتر بنانے کے لیے کافی تحقیق کی جا رہی ہے، اورکت روشنی کے ذرائع کی کوانٹم کارکردگی (QE)، یا پس منظر کی روشنی (BGL) کو ہٹانے کے لیے تکنیک استعمال کریں۔ اور پھیلائیں.
موجودہ i-ToF پکسل ڈھانچہ کو تقریباً ایک گیٹ ڈھانچہ اور ایک پھیلاؤ کی ساخت میں تقسیم کیا جا سکتا ہے۔ گیٹ کی ساخت کا طریقہ ارد گرد کے الیکٹرانوں کو جمع کرنے کے لیے گریٹنگ پر ماڈیولڈ وولٹیج لگا کر ممکنہ فرق پیدا کرتا ہے۔ دوسری طرف، پھیلاؤ کا ڈھانچہ، ایک کرنٹ-اسسٹڈ فوٹوونک ڈیموڈولیٹر (CAPD) کے طور پر کام کرتا ہے تاکہ سبسٹریٹ پر ماڈیولڈ وولٹیج لگا کر پیدا ہونے والے کرنٹ کا استعمال کرتے ہوئے الیکٹران کو اکٹھا کیا جا سکے۔ پہلے کے مقابلے میں، مؤخر الذکر گہرے علاقوں میں پیدا ہونے والے الیکٹرانوں کا تیزی سے پتہ لگا سکتا ہے، جس سے منتقلی زیادہ موثر ہوتی ہے، لیکن اس میں زیادہ بجلی کی کھپت کی ضرورت ہوتی ہے کیونکہ اس میں کثیر-لوڈ کمتر کرنٹ استعمال ہوتا ہے۔ اس کے علاوہ جیسے جیسے پکسلز چھوٹے ہوتے جاتے ہیں اور ہائی ریزولوشن کی وجہ سے پکسلز کی تعداد بڑھ جاتی ہے، بجلی کی کھپت مزید بڑھ جاتی ہے۔
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 پکسل ٹیکنالوجی کے فوائد
اچھے فاصلے کی پیمائش کرنے والے سینسر کو جانچنے کے لیے مختلف معیارات ہیں، لیکن سب سے پہلے، اسے درست طریقے سے فاصلے کا پتہ لگانے اور کم بجلی کی کھپت کے ذریعے حرارتی مسائل کو کم کرنے کے قابل ہونا چاہیے۔ دوسرے لفظوں میں، ایک اچھے سینسر کو اعلی کارکردگی اور کم بجلی کی کھپت کے ساتھ فوری طور پر سگنلز کا پتہ لگانا چاہیے، جبکہ اسے مرحلے کے فرق کی بنیاد پر سگنلز کو درست طریقے سے الگ کرنا بھی چاہیے۔
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.
شکل 5: سامنے کا موازنہ
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).
شکل 6: i-ToF روشنی کے مختلف طریقوں کے لیے جمع ہونے والی شرحیں (زیر زمین پانی نکالنے اور گھنے جنگلات میں درختوں کو کاٹنے کے مترادف)
بیک-روشنی کا یہ فائدہ SK hynix کی CIS بیک-روشن ٹیکنالوجی کے ساتھ ملا کر حاصل کیا جا سکتا ہے، جس میں 1 مائکرون سے چھوٹے پکسلز بنانے کی ٹیکنالوجی ہے۔
2. سمال لینس اری (SLA) ٹرینچ سٹرکچر آپٹیکل ویو گائیڈ اور کوانٹم ایفیشنسی
چارج جمع کرنے کی شرح کا استعمال کرتے ہوئے i-ToF میکانزم کے مطابق، ہمیں طویل فاصلے پر درست فاصلے کا ڈیٹا حاصل کرنے کے لیے سگنل کی زیادہ سے زیادہ سطح کی ضرورت ہے۔ لہذا، اورکت طول موج کی حد میں اعلی QE ضروری ہے۔
جیسا کہ اوپر ذکر کیا گیا ہے، انفراریڈ روشنی کے منبع کی زیادہ گھسنے والی طاقت کی وجہ سے، اس کی روشنی کی شدت نظر آنے والی روشنی کی نسبت کمزور ہے، اس لیے روشنی جمع کرنے کی گہرائی گہری ہے۔ اس سے نمٹنے کا ایک طریقہ یہ ہے کہ جان بوجھ کر مائیکرو لینس ڈھانچے (کیمرہ لینس کے نیچے پکسلز کی تعداد اور سائز کے مطابق ترتیب دیئے گئے چھوٹے- سائز کے لینسز) کو اونچا بنایا جائے تاکہ روشنی کا بہتر ذخیرہ حاصل کیا جا سکے، لیکن اونچائی محدود ہونے کی وجہ سے تکنیکی رکاوٹیں ایس کے ہائنکس نے اس کمی کو دور کرنے کے لیے ایک مختلف طریقہ اختیار کیا ہے۔ ہر پکسل پر کئی لینز لگا کر جو پکسل کے سائز سے چھوٹے ہیں، یہ طریقہ روشنی کو جمع کرنے کی گہرائی کو بڑھاتا ہے، اس طرح موصول ہونے والی روشنی کی کل مقدار میں اضافہ ہوتا ہے۔
اس کے علاوہ، SK hynix پشت پر ایک خاص پیٹرن کا ڈھانچہ بھی کھودتا ہے، تاکہ واقعہ کی روشنی ڈھانچے کو چھوئے اور اس سے منعکس ہو، روشنی کی ترسیل کے راستے کو بڑھاتا ہے اور روشنی کو ماڈیولیشن ایریا پر مرکوز کرتا ہے، اس طرح روشنی کے نقصان کی شرح کو کم کرتا ہے۔ اور ایک ہی روشنی کی شدت کے تحت ٹرانسمیشن کی کارکردگی کو بہتر بنانا ایک پتھر سے دو پرندوں کو مارنے کا اثر حاصل کرتا ہے۔ درحقیقت، یہ اس بات کی تصدیق کرتا ہے کہ QE 940nm روشنی کے منبع کے تحت دگنی سے زیادہ ہے۔ اعلی QE پر، یہ پچھلے طریقوں کے مقابلے میں اصل اور ناپے گئے فاصلوں کے درمیان تقریباً 55 فیصد کی غلطی کو کم کرنے میں کامیاب ہوتا ہے۔
شکل 7: SLA (بائیں) اور خندق- ساختی آپٹیکل ویو گائیڈ (دائیں)
3. کم بجلی کی کھپت اور اعلی کارکردگی کو یقینی بنائیں
روشنی کے منبع کی بجلی کی کھپت کو چھوڑ کر، ToF سینسر سرکٹ میں سب سے زیادہ طاقت استعمال کرتا ہے جو سگنل کو ماڈیول کرتا ہے جب یہ چلتا ہے۔ ماڈیولیشن ڈرائیو سرکٹ کی طاقت بورڈ کے ذریعے بہنے والے کرنٹ کے متناسب ہے۔ دوسرے الفاظ میں، ہم سبسٹریٹ کرنٹ کو کم کرکے بجلی کی کھپت کو کم کر سکتے ہیں۔ مزید برآں، درست اور درست فاصلے کی پیمائش کے لیے مختصر ماڈیولیشن ادوار اور تیز سگنل کا پتہ لگانے کی ضرورت ہوتی ہے۔ اتنی ہی مسافت (سلیکن موٹائی) کو تیزی سے طے کرنے کے لیے گاڑی (فوٹن) کو گیس پیڈل پر قدم رکھ کر تیز کرنا پڑتا ہے، جس میں بہت زیادہ ایندھن (یا کرنٹ) خرچ ہوتا ہے۔ ایک اور مثال کے طور پر، گہرے کنویں سے پانی نکالنے کے لیے گھرنی کو اٹھانے کے لیے بہت زیادہ طاقت درکار ہوتی ہے۔ لیکن کیا ہوگا اگر آپ زمینی پانی کو پمپ کر سکیں؟ آپ اپنی ضرورت کا تمام پانی تھوڑی محنت سے نکال سکتے ہیں، بس ٹونٹی کو آن کریں۔
VFM طریقہ پکسل آئن امپلانٹیشن کے حالات اور ساخت کو بہتر بنا کر، اسے پمپ کی طرح کام کرنے کے قابل بنا کر اور عمودی برقی میدان کو مضبوط بنا کر کمی کے علاقے کو بڑھاتا ہے۔ لہذا، برقی میدان کی قوت کو کرنٹ میں شامل کیا جاتا ہے، جو مؤثر طریقے سے الیکٹرانوں کو جمع کر سکتا ہے، اور ساتھ ہی ساتھ، یہ چھوٹے کرنٹ کی حالت میں تیزی سے جمع بھی کر سکتا ہے، اور بجلی کی کھپت کو بڑھا سکتا ہے۔ وسیع تجربات سے معلوم ہوا ہے کہ جب کرنٹ بڑھتا ہے تو VFM پکسل کی کارکردگی ختم ہو جاتی ہے، جس کا مطلب ہے کہ یہ کم طاقت کے لیے زیادہ موزوں ڈھانچہ ہے، اور کرنٹ اب کوئی اہم عنصر نہیں رہا۔ دوسرے الفاظ میں، یہ طریقہ ایک ایسے ڈیزائن کے ذریعے کرنٹ کو کنٹرول کر کے پکسل کی کارکردگی کو بہتر بناتا ہے جو ایک مضبوط عمودی برقی فیلڈ کو قابل بناتا ہے تاکہ یہ صرف ایک رہنما کے طور پر کام کرے۔ QVGA-کلاس ToF سینسر کے مقابلے میں، 5um VGA-کلاس ToF سینسر کا پکسل سائز چھوٹا اور زیادہ ریزولوشن ہے، لیکن کرنٹ فی پکسل کم ہے، اور بجلی کی کھپت میں اضافہ تقریباً صفر ہے۔ .
شکل 8: ایک ToF سینسر کے طور پر، VFM ڈھانچہ زیادہ موثر بجلی کی کھپت رکھتا ہے۔
خلاصہ کریں۔
SK hynix مختلف ماڈیول مینوفیکچررز کو ToF سینسر ٹیکنالوجی تیار کرتے ہوئے قریبی تکنیکی مدد اور سینسر فراہم کر کے ایپلی کیشن مارکیٹوں کی وسیع رینج میں داخل ہونے کے قابل بنا کر معاشی اور سماجی قدر کی تخلیق میں اپنا حصہ ڈالتا ہے۔
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.
