文|半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
自從1989年被首次提出，CMOS圖像傳感器（CIS）經(jīng)歷了強(qiáng)勁增長(zhǎng)。就銷量而言，CIS占光電器件市場(chǎng)的收入超過(guò) 40%。不過(guò)，近日研究機(jī)構(gòu)ICInsights發(fā)布預(yù)測(cè)稱CIS在2022年可能出現(xiàn)下滑，預(yù)計(jì)全球出貨量下降11%到61億顆，銷售額下降7%。那么，CIS市場(chǎng)的下滑處于集成電路周期還是技術(shù)迭代節(jié)點(diǎn)到來(lái)了呢？如果存在一種技術(shù)要接替CIS在圖像傳感器中的地位，這種技術(shù)又會(huì)是什么呢？
2022是CIS的轉(zhuǎn)折點(diǎn)嗎？
先來(lái)回答第一個(gè)問(wèn)題，2022年會(huì)成為CIS芯片轉(zhuǎn)向消亡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)嗎？
答案是否定的。雖然今年CIS市場(chǎng)會(huì)下行，但I(xiàn)Cinsights預(yù)測(cè)明年CIS市場(chǎng)將溫和復(fù)蘇，全球市場(chǎng)收入預(yù)計(jì)增長(zhǎng) 4% 至 193 億美元，然后在 2024 年增長(zhǎng) 13% 達(dá)到 217 億美元的新高。
CIS市場(chǎng)的下滑的主要原因是消費(fèi)電子的低迷。索尼執(zhí)行副總裁兼首席財(cái)務(wù)官 Yuichi Oshima 表示，如果 2022 年下半年高端智能手機(jī)的銷量低于最初的預(yù)期，索尼將推遲擴(kuò)張計(jì)劃。
手機(jī)是CIS最大的應(yīng)用市場(chǎng)。過(guò)去一段時(shí)間智能手機(jī)攝像頭數(shù)量的增加成為CIS芯片增長(zhǎng)的動(dòng)力，Counterpoint Research表示平均每部智能手機(jī)將配備4顆CIS芯片。盡管全球手機(jī)出貨量下降，但單個(gè)手機(jī)配備的攝像頭數(shù)量的提升讓手機(jī)CIS市場(chǎng)仍能保持一定程度的增長(zhǎng)。
疫情暴發(fā)初期，居家辦公、線上學(xué)習(xí)的需求讓CIS市場(chǎng)迎來(lái)新一輪的增長(zhǎng)。在2020年CIS市場(chǎng)增長(zhǎng)4%，2021年增長(zhǎng)了5%。但疫情帶來(lái)的增量已經(jīng)飽和，而全球性的通貨膨脹導(dǎo)致了消費(fèi)者信心下降，消費(fèi)電子市場(chǎng)的寒冬來(lái)了，CIS市場(chǎng)最大的增長(zhǎng)動(dòng)力變了。
誰(shuí)是CIS市場(chǎng)新的成長(zhǎng)動(dòng)力？
行業(yè)普遍將汽車賽道視作CIS新的增長(zhǎng)動(dòng)力。隨著汽車智能化的提高，車載CIS芯片市場(chǎng)快速增長(zhǎng)。隨著高級(jí)別智能駕駛的滲透，汽車攝像頭數(shù)量的增加。隨著智能駕駛由L1 升級(jí)至L2/L3 級(jí)，攝像頭顆數(shù)從最初的5 顆左右增加至8~15 顆；同時(shí)車載CIS 也逐步像素升級(jí)，從VGA→1M→2M→8M，單顆攝像頭價(jià)值量逐步提升，量?jī)r(jià)提升帶來(lái)車載CIS 市場(chǎng)規(guī)模的提升。當(dāng)前每輛車可能需要2顆以上CIS，預(yù)計(jì)到2025年增加到10顆以上，2030年更增加到13~19顆。
除了汽車賽道，基于元宇宙概念的VR/AR設(shè)備也可能成為CIS芯片的增長(zhǎng)動(dòng)力。為了幫助用戶實(shí)現(xiàn)使用虛擬形象進(jìn)行社交的需求，VR需要捕捉從肢體到面部等細(xì)節(jié)部位的動(dòng)作。未來(lái)消費(fèi)級(jí)VR頭顯設(shè)備可能會(huì)配備超過(guò)6個(gè)種類的攝像頭，其中包括定位攝像頭、眼球追蹤攝像頭、ToF攝像頭和RGB攝像頭，分別用來(lái)完成inside-out tracking設(shè)備自身的定位，眼球追蹤，手勢(shì)追蹤，以及實(shí)現(xiàn)see through等功能。根據(jù)Omdia的預(yù)測(cè)，全球VR頭顯所用CIS出貨量將以41%的年均增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，2026年將超過(guò)2億顆。
新的應(yīng)用場(chǎng)景意味著CIS需要應(yīng)用新的技術(shù)。2021年，索尼通過(guò)Stacked技術(shù)將原本在一片襯底上的光電二極管和像素晶體管分離到不同襯底上，這樣光電二極管表面積能夠翻倍，能夠接收到更多光線。同時(shí)索尼使用新的連接結(jié)構(gòu)，讓耐熱性從傳統(tǒng)400℃提升到1000℃。不過(guò)這種更新，仍然是以CMOS圖像傳感器為基礎(chǔ)，那么是否存在革命性的圖像傳感器去替代CIS呢？
誰(shuí)能接替CIS？
在討論下一代圖像傳感器之前，不妨先去了解CIS上一代的傳感器。
CIS的登場(chǎng)淘汰了CCD傳感器，CCD 傳感器是一種“電荷耦合器件”。CCD和CMOS圖像傳感器都通過(guò)使用數(shù)千個(gè)或數(shù)百萬(wàn)個(gè)稱為光點(diǎn)的光捕獲井捕獲光子來(lái)將光轉(zhuǎn)換為電子。拍攝圖像時(shí)，感光點(diǎn)會(huì)被揭開(kāi)以收集光子并將它們存儲(chǔ)為電信號(hào)。在 CCD 將光轉(zhuǎn)換為電子，電荷通過(guò)芯片傳輸并在陣列的一個(gè)角落讀取，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將每個(gè)光點(diǎn)的電荷轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。
CIS則將光敏像素的電荷轉(zhuǎn)換為像素位置的電壓。然后，信號(hào)按行和列多路復(fù)用到多個(gè)片上數(shù)模轉(zhuǎn)換器。因?yàn)槊總€(gè)光點(diǎn)都可以單獨(dú)讀取所以CIS相對(duì)于CCD更加靈活。
CCD將光生電荷從一個(gè)像素移動(dòng)到另一個(gè)像素，并在輸出節(jié)點(diǎn)將其轉(zhuǎn)換為電壓。CMOS 成像器將電荷轉(zhuǎn)換為每個(gè)像素內(nèi)的電壓。
CCD 圖像傳感器一直是需要高質(zhì)量圖像的傳統(tǒng)選擇。醫(yī)療和科學(xué)應(yīng)用中的大多數(shù)相機(jī)都基于 CCD 技術(shù)。但它的缺點(diǎn)也十分明顯：讀取時(shí)間更長(zhǎng)，功耗更高。目前CCD主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器視覺(jué)。但隨著CIS分辨率的提高，CCD的應(yīng)用場(chǎng)景正逐漸被CIS替代。
目前被看作可能下一代主流圖像傳感器的產(chǎn)品主要有兩種：QIS和QDIS。
QIS：量子圖像傳感器
ERIC R. FOSSUM 和 KAITLIN ANAGNOST提出了一種量子圖像傳感器（Quanta image sensor,QIS）。在 QIS 中，每個(gè)“圖像像素”都被劃分為一組稱為小點(diǎn)的較小像素最小單元稱為映像點(diǎn)（jots)，每個(gè)jot對(duì)光子計(jì)數(shù)都足夠敏感。光電子被逐個(gè)計(jì)數(shù)，并根據(jù)組合的空間和時(shí)間光子計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算圖像。
量子圖像傳感利在每個(gè)像素元件中實(shí)現(xiàn)了極小的輸出電容，從而極大地放大了每個(gè)光子產(chǎn)生的電信號(hào)。由于這種極高的信號(hào)放大率，與CMOS傳感器相比，量子圖像傳感器的相對(duì)噪聲降低了5到10倍，從而在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的單光子探測(cè)和光子數(shù)分辨。
QIS的基本成像原理由彩色濾波器陣列、光子帕松（Poisson）分布、讀取雜訊和類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）組成。
在這些設(shè)備中，信號(hào)光電荷以模擬形式集成在傳感器中，并在讀出時(shí)數(shù)字化為 8-14 位分辨率。在QIS 之中，信號(hào)在芯片上或芯片外進(jìn)行數(shù)字集成，并且圖像像素由時(shí)空小室計(jì)算形成 jot 值。雖然它一次成像一個(gè)光子（或有時(shí)在多位 QIS 中更多），但使用 QIS 的固有過(guò)度曝光寬容度和多種高速曝光技術(shù)仍然可以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍 (>120 dB)。
真實(shí) QIS 圖像和模擬 CIS 圖像之間的比較。即使不考慮較低暗電流的優(yōu)勢(shì)，QIS 在光子饑餓狀態(tài)下的性能也比 CIS 好得多。
在超低光應(yīng)用中，例如生命科學(xué)或天文學(xué)中的科學(xué)成像，或在低光航空航天和國(guó)防和安全應(yīng)用中，光子計(jì)數(shù)成像至關(guān)重要。低功耗 QIS 設(shè)備也將在微光物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得以應(yīng)用，尤其是在云中完成計(jì)算圖像形成的情況下。Gigajot Technology正在探索其他潛在應(yīng)用，包括量子密碼學(xué)和電影攝影。
QIS可以通過(guò)CMOS技術(shù)生產(chǎn)，因此在成本方面也問(wèn)題不大。但如果應(yīng)用于消費(fèi)領(lǐng)域QIS仍存在一些問(wèn)題，如彩色成像能力、閃光攝影。
QDIS量子點(diǎn)圖像傳感器：
量子點(diǎn) (QD) 也稱為納米級(jí)半導(dǎo)體晶體，是具有獨(dú)特光學(xué)和電子特性的納米顆粒，例如明亮和強(qiáng)烈的熒光。由于大多數(shù)常規(guī)有機(jī)標(biāo)記染料不提供近紅外 (>650 nm) 發(fā)射可能性，因此具有可調(diào)光學(xué)特性的量子點(diǎn)引起了廣泛關(guān)注。它們具有良好的化學(xué)和光穩(wěn)定性、高量子產(chǎn)率和尺寸可調(diào)的發(fā)光特性。不同類型的量子點(diǎn)可以用相同的光波長(zhǎng)激發(fā)，并且可以同時(shí)檢測(cè)到它們的窄發(fā)射帶以進(jìn)行多種測(cè)定。
比利時(shí)研究機(jī)構(gòu) IMEC 和相機(jī)制造商 SWIR Vision Systems 發(fā)表了關(guān)于在紅外成像中使用量子點(diǎn)的論文。韓國(guó)中央大學(xué)的 Sung Kyu Park 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員表示他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種利用量子點(diǎn)技術(shù)的新型傳感器。該傳感器使用垂直堆疊的量子點(diǎn)，每個(gè)量子點(diǎn)都對(duì)特定的光頻率敏感。當(dāng)光穿過(guò)不同調(diào)諧的點(diǎn)層時(shí)，只有與特定頻率的點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)的光才會(huì)被觸發(fā)，這就是傳感器如何知道記錄該信息的顏色的方式。
研究人員表示，與傳統(tǒng)圖像傳感器相比，像素結(jié)構(gòu)每個(gè)像素使用的面積要小得多，這意味著與當(dāng)前的 CMOS 技術(shù)相比，可以將更多的像素放置在空間中。
用于可見(jiàn)光的量子點(diǎn)圖像傳感器（右）與傳統(tǒng) CMOS 技術(shù)（左）相比具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)，包括其相對(duì)薄、消除了阻礙接收光子的反射以及減少了過(guò)濾由錯(cuò)誤的光電二極管接收到的光子引起的錯(cuò)誤。
在傳統(tǒng)的光電探測(cè)器中，缺陷很少而且相差甚遠(yuǎn)，因此效率超過(guò) 50%。對(duì)于基于 QD 的光電探測(cè)器，這個(gè)數(shù)字通常小于 20%。盡管量子點(diǎn)本身在吸收光方面優(yōu)于硅，但基于量子點(diǎn)的光電探測(cè)器的整體效率仍無(wú)法與之競(jìng)爭(zhēng)。
2017年的時(shí)候，蘋果收購(gòu)了號(hào)稱替代CMOS的量子薄膜攝像頭廠商InVisage Technology，試圖開(kāi)發(fā)自己的相機(jī)模塊。雖然收購(gòu)價(jià)沒(méi)有被披露，但是獲得的融資總規(guī)模超億美金，破了當(dāng)時(shí)的行業(yè)歷史記錄。但這家公司被蘋果收購(gòu)后似乎就銷聲匿跡了。業(yè)界認(rèn)為“蘋果決定停止開(kāi)發(fā)量子點(diǎn)圖像傳感器，因?yàn)樗鼘?duì)于大規(guī)模生產(chǎn)來(lái)說(shuō)太貴了?！盜nVisage的CEO在2017年7月到2019年1月之間在蘋果公司從事了一段時(shí)間“特殊項(xiàng)目的并購(gòu)整合”后，也離開(kāi)了蘋果。
2021年，意法半導(dǎo)體在IEDM會(huì)議上宣布了自研的量子點(diǎn)短波紅外（SWIR）圖像傳感器。意法半導(dǎo)體稱，該傳感器的成本可能會(huì)降至1美元左右，或許這能成為量子點(diǎn)圖像傳感器商用的機(jī)會(huì)。
結(jié)語(yǔ)
屬于CIS的時(shí)間還有多久？
五年內(nèi)，手機(jī)中很可能會(huì)安裝新的圖像傳感器，使用戶能夠在弱光下拍攝更好的照片和視頻，改進(jìn)面部識(shí)別技術(shù)，并以CIS無(wú)法做到的方式將紅外光電檢測(cè)融入我們的日常生活。不過(guò)，這不意味CIS的時(shí)代的結(jié)束。