為什么談CMOS

先用數(shù)字與圖表說(shuō)話

藝術(shù)是令人感動(dòng)的，技術(shù)是令人興奮的，而數(shù)字是讓人冷靜下來(lái)理性思考的。本著這個(gè)原則，我們?cè)谔接懠夹g(shù)前先以數(shù)字說(shuō)話，看看影像世界最為核心的CMOS市場(chǎng)都有哪些玩家？

2012年CMOS影像傳感器市場(chǎng)份額（Source: Yole Developpement）

索尼是CMOS市場(chǎng)的傳統(tǒng)領(lǐng)頭羊，只不過(guò)在2012年前后，索尼的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)并不明顯，比老二老三多不了幾個(gè)百分點(diǎn)。

2014年CMOS影像傳感器市場(chǎng)份額（Source: Yole Developpement）

到2014年，得益于手機(jī)CMOS和微單/無(wú)反相機(jī)CMOS的增長(zhǎng)，索尼和三星都在市場(chǎng)份額上取得了進(jìn)步，分別增加到27%和19%。索尼在2013年開(kāi)始加強(qiáng)微單產(chǎn)品線，并著重發(fā)力全畫(huà)幅微單。彼時(shí)三星在數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)上也是雄心勃勃，于稍后的2014年發(fā)布了當(dāng)時(shí)最強(qiáng)的NX1無(wú)反相機(jī)。它采用了世界首款2800萬(wàn)像素背照式APS-C感光元件，并支持最高15fps連拍和H.265格式4K視頻拍攝，單次充電可拍攝最多500張照片，遠(yuǎn)超其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

 2015年和2016年CMOS影像傳感器市場(chǎng)份額（Source: Yole Developpement）

2015年和2016年見(jiàn)證了索尼CMOS市場(chǎng)份額的飆升，幾乎是增長(zhǎng)到2012年的兩倍！達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的42%，也就是幾乎占據(jù)了全年116億美金市場(chǎng)份額的一半，接近49個(gè)億美金。一方面索尼的手機(jī)CMOS出現(xiàn)在了幾乎所有手機(jī)廠家的旗艦型號(hào)上。另一方面，索尼微單產(chǎn)品線也在全球數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)下降的大趨勢(shì)下逆流而上，不斷增長(zhǎng)。同期的其它廠家似乎都不怎么好過(guò)，曾經(jīng)雄心壯志的三星放棄了相機(jī)業(yè)務(wù)，但憑借出售CMOS依然保持著老二的市場(chǎng)份額。在巔峰時(shí)期占據(jù)9%市場(chǎng)份額的佳能跌的厲害，降到3%，和松下尼康保持在同一水平，基本上也就自產(chǎn)自用了。

這一上一下，索尼也算是創(chuàng)造了市場(chǎng)“奇跡”

CMOS所在半導(dǎo)體行業(yè)是一個(gè)很特殊的行業(yè)，研發(fā)生產(chǎn)的成本比其它行業(yè)高很多，技術(shù)壁壘也高，特別容易產(chǎn)生巨頭壟斷，強(qiáng)者越強(qiáng)，弱肉強(qiáng)食，CPU行業(yè)的Intel就是一個(gè)明顯的例子。所以，未來(lái)CMOS市場(chǎng)大概是個(gè)什么狀況，大家心里也基本有譜了。索尼一方面因極高的銷售額會(huì)投入大規(guī)模的研發(fā)資金，保持自己的技術(shù)領(lǐng)先地位，“黑科技”會(huì)層出不窮。另一方面，具有準(zhǔn)壟斷地位的索尼在價(jià)格方面也就具備了更大的話語(yǔ)權(quán)，微單這幾年杠杠的價(jià)格就側(cè)面說(shuō)明了這一點(diǎn)。對(duì)于消費(fèi)者，這到底是好消息還是壞消息？！

再談?wù)劶夹g(shù)，看看索尼CMOS這幾年是如何練就葵花寶典的？

在2007年索尼發(fā)布了首款Exmor成像器，最大變化是每列像素內(nèi)置了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。傳統(tǒng)方式是每列像素產(chǎn)生的信號(hào)匯聚以后再傳輸?shù)絾蝹€(gè)或數(shù)個(gè)ADC之中。而Exmor每列像素?fù)碛歇?dú)立的ADC，可以分布式地完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，而且不用像傳統(tǒng)的ADC那樣高負(fù)載，可以在低頻率下運(yùn)行，有效減少了噪聲，提高了信噪比。而且Exmor輸出的是數(shù)字信號(hào)，抗干擾性更好，降低了傳輸過(guò)程中噪聲產(chǎn)生的可能性。

傳統(tǒng)CMOS（左）與每列像素內(nèi)置ADC的Exmor CMOS（圖片來(lái)源索尼半導(dǎo)體）

Exmor CMOS被用在了15年發(fā)布的A7R2之前的所有全畫(huà)幅微單型號(hào)上，包括A7一代二代，A7S一代二代，A7R一代。在專業(yè)攝像機(jī)和攝影機(jī)領(lǐng)域，這個(gè)成熟的Exmor CMOS技術(shù)應(yīng)用最多，除了新發(fā)布的一英寸成像器攝像機(jī)采用下一代技術(shù)，其它幾乎全部是Exmor，包括大家耳熟能詳?shù)腍DV、NXCAM、XDCAM和FS系列機(jī)型。

2008年索尼推出了采用背照式技術(shù)的Exmor R成像器。傳統(tǒng)成像器的拜爾陣列濾鏡與光電二極管間存在大量金屬連線，阻隔了進(jìn)入成像器表面的大量光線。在背照式結(jié)構(gòu)下，金屬連線轉(zhuǎn)移到光電二極管的背面，光線不再被阻擋，光電轉(zhuǎn)換效率大大提高。

傳統(tǒng)CMOS（左）與背照式Exmor R CMOS（右）（圖片來(lái)源索尼半導(dǎo)體）

Exmor R CMOS最初先應(yīng)用在手機(jī)成像器中，后來(lái)面積越做越大，做到了1英寸，開(kāi)始應(yīng)用到民用的黑卡和專業(yè)的單片攝像機(jī)上。2015年索尼推出了A7R2，采用有效像素約為4240萬(wàn)，35mm全畫(huà)幅Exmor R CMOS背照式成像器，取消了低通濾鏡功能，實(shí)現(xiàn)記錄更出色分辨率和清晰度的高品質(zhì)影像。在背照式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上還加入無(wú)隙芯片鏡片技術(shù)和納米抗反射涂層，從而提高了成像器的光線收集效率，實(shí)現(xiàn)了高分辨率、高感低噪和高動(dòng)態(tài)范圍。A7R2還采用了銅布線技術(shù)，與鋁線相比，銅線的導(dǎo)電電阻大約低40%，讓芯片運(yùn)行速度提高15%，可靠性大大提高。

傳統(tǒng)鋁布線CMOS（左）與銅布線背照式Exmor R CMOS（右）（圖片來(lái)源索尼）

在2012年索尼發(fā)布了堆棧式（Stack）結(jié)構(gòu)的CMOS，將其命名為Exmor RS。上一代背照式結(jié)構(gòu)將濾鏡與光電二極管之間連線轉(zhuǎn)移到光電二極管背面，但光電二極管周邊依然存在大量電路。于是堆棧式結(jié)構(gòu)將這些電路轉(zhuǎn)移到光電二極管背面，進(jìn)一步提高了成像器表面的采光面積。而且這種新結(jié)構(gòu)可以降低生產(chǎn)難度，把像素層和電路層兩塊不同工藝、不同類型芯片單獨(dú)生產(chǎn)然后再貼合。

傳統(tǒng)背照式Exmor R CMOS（左）與堆棧式Exmor RS CMOS（右）（圖片來(lái)源索尼半導(dǎo)體）

Exmor RS依然先小再大，先從1英寸的RX100四代和RX10二代開(kāi)始使用（包括最新的RX0）。后來(lái)又用到全畫(huà)幅的A9上，通過(guò)Exmor RS拉開(kāi)了9系和7系的差距。

前面講到Exmor RS的新結(jié)構(gòu)可以把像素層和電路層分開(kāi)，這在意想不到的方面又開(kāi)了一扇窗，這就是在兩層之間加入緩存層。新增加的緩存層可以把像素層光電二極管讀取的信號(hào)直接讀取并緩存，這大大提升了CMOS的讀取速率。

堆棧式Exmor RS CMOS（左）與加入DRAM層的三層堆棧式Exmor RS CMOS（圖片來(lái)源索尼半導(dǎo)體）

加入DRAM層的索尼三層堆棧式CMOS橫斷面（圖片來(lái)源索尼半導(dǎo)體）

三層堆棧式CMOS帶來(lái)至少兩方面的好處：一是可以提高單幀畫(huà)面的讀取速度，這是攝影中高速連拍的基礎(chǔ)，也為視頻拍攝中降低果凍效應(yīng)打好基礎(chǔ)。另一方面，如果緩存容量足夠大，超高速拍攝將會(huì)更加簡(jiǎn)單。

（圖片來(lái)源索尼半導(dǎo)體）

索尼3層堆棧式CMOS成像器超級(jí)慢動(dòng)作效果

視頻時(shí)長(zhǎng)1分38秒，請(qǐng)自主選擇WIFI下觀看

三層堆棧式Exmor RS CMOS在A9中的應(yīng)用偏向攝影，在電路層與像素層之間新增一層，不僅有內(nèi)置高速信號(hào)處理電路因而在規(guī)模和功能方面可以得到大幅增強(qiáng)，還有內(nèi)置的集成內(nèi)存可以短時(shí)間存儲(chǔ)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，讀取速度相比前作提升約20倍。

A9的三層堆棧式Exmor RS CMOS

三層堆棧式Exmor RS CMOS在黑卡系列的應(yīng)用偏向視頻，使得黑卡系列獲得了“速度大師”的美名。

到此為止，我們基本盤(pán)點(diǎn)了CMOS在索尼“民用”級(jí)別的應(yīng)用發(fā)展，注意這不是全部，畢竟索尼還有強(qiáng)大的專業(yè)產(chǎn)品線，鑒于篇幅，我們擇日再起。

我們是“黑科技”粉

有朋友說(shuō)我們是這個(gè)“索”粉，那個(gè)“米”粉，但是我們只想說(shuō)，我們是“黑科技”粉。不管哪個(gè)廠家有“黑科技”，我們都愿意刨根究底，研究透徹，這是我們的興奮點(diǎn)。找到真正的“黑科技”，把他們通過(guò)淺顯易懂的形式呈現(xiàn)出來(lái)，和大家一起興奮，不亦樂(lè)乎！