索尼CMOS图像传感器十年奋斗史

索尼CMOS图像传感器十年奋斗史

Original  2016-08-01  Corsair 

过去十年是CIS（CMOS Image Sensor，CMOS图像传感器）飞速发展的十年，索尼的半导体部门正是借此崛起，根据Yole的报告，索尼坐稳了全球第一大CIS供应商位置——即使不算刚刚收购的东芝，销售额也达到了35%、出货量更是高达50%，超过第二名三星、第三名Omnivision之和。与此同时，索尼CIS一靠iPhone二靠DXOMark实现了名利双收。 今天索尼传感器看着风光无限，可谁想到过去十年索尼不为人知的努力与遭受的白眼，比如说尼康的旗舰全副几乎不采用索尼传感器，像素长期被佳能压制，另一方面索尼在CIS的“黑科技”一点也不黑，事实上不过遵循业界技术发展而已，过去十年是索尼CIS的奋斗史、追赶史。  Exmor诞生 与欧美企业喜欢采用简单明了的命名方式不一样（比如说普及最广的彩色滤镜阵列，就根据其特征命名为RGGB排列，或采用发明者的名字），日本企业命名更具“神秘东方色彩”，一个能够通俗易懂的技术会加上玄之又玄的名字，这点索尼最为突出。 在2007年索尼发布了首款Exmor传感器，相对以往CIS，Exmor最大变化是内置了ADC（analog-to-digital converter，模数转换器）。在外置ADC传感器传输数据时，每列像素产生的信号先通过降噪电路，汇聚后再通过外部总线传输到单个或数个ADC之中。而Exmor每列像素拥有独立的ADC，在CIS芯片上即可完成模数转换，最后通过数字总线传输出去。由于Exmor的ADC数量非常庞大，每个ADC能在低频率下运行，仅达到kHz级别，远远低于外置ADC的MHz级别，有效减少了噪声，也利于实现高速读取。而且Exmor输出的是数字信号，抗干扰性更好，易于长距离布线，亦无须ADC靠近CIS布置，大幅度简化了PCB设计。 IMX035是索尼首块Exmor传感器，应用于安保领域，1/3英寸、像素为1328×1024，能以全像素输出120fps，内置ADC功不可没。Exmor的成果迅速被索尼应用到其它领域之中， 2008年发布的单反相机尼康D3X、索尼A900正是采用了索尼24MP全副传感器IMX028，不过在IMX028上索尼只能实现12bit、5fps全像素连拍，为了保证画质尼康不得不外置了14bit ADC。
（尼康 D3X上的IMX028）
与业界先进水平相比——例如是ARRI在2005年推出的D20摄像机（其6MP、Super35规格CIS在12bit下峰值输出达到了150fps）或是稍逊的2007年亮相Red One Mysterium-X（4K@60fps），索尼在2007年才实现了内置ADC，还是在小尺寸传感器下实现的，落后不是不是一丁半点。但凭借Exmor索尼拿到了进入CIS市场的“准入证书”，开始了小步快跑的追赶之路。而日本另一家大型CIS制造商佳能长年徘徊在内置ADC的门槛之外，2015年传感器销售额大跌16%毫不让人意外。 （Red One Mysterium-X上的传感器）
 借手机上位的Exmor R 在实现了内置ADC后索尼高歌猛进，2008年推出了采用BSI（Back-illuminated，背照式）技术的Exmor R传感器。Exmor R沿用了Exmor套路，先在技术难度较低的小尺寸CIS上试水，首款产品是IMX055CHL，尺寸为1/4英寸，总像素为2048×1536，被应用在HDR-CX110等摄像机当中。不过让Exmor R扬名立万的，不是索尼自家相机、摄像机，而是苹果的iPhone 4s。 iPhone 4作为一款划时代产品其意义不必多表，与大家映像中iPhone采用索尼CIS不一样，iPhone 4采用的是来自Omnivision的OV5642背照传感器，直到iPhone 4s上苹果才改用索尼8MP的IMX145背照传感器。在FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED，前照式）时代里，拜尔阵列滤镜与光电二极管（Photo-diode）间存在大量金属连线，阻隔了大量进入传感器表面的光线。为了缓解该问题，TowerJazz、松下提出过在每个光电二极管前端加入导光管（Front-side via wave guides）方案，但效果远不如BSI明显。在BSI结构下，金属连线转移到光电二极管的背面，光线不再被阻挡，信噪比大幅度提高，而且可以采用更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。自BSI传感器普及起，手机夜拍不再是难事，便携数码相机的衰落加速，索尼半导体部门以损失一个小市场换来一个大市场。 Exmor R对相机市场造成实质影响还得等到索尼黑卡二代RX100II面世，该相机采用的IMX183传感器相对前一代IMX163主要指标没有变化（1英寸、20MP、22fps），但高感光度表现大幅度飙升，后来该传感器纷纷被佳能、松下相机所采用（要明白佳能、松下均能自产传感器）。
既然BSI疗效这么显著，那什么时候APS-C、全副相机才能用上呢？当年索尼被问及此问题时却抛出了一个背照在大尺寸传感器上无用论。可日后索尼先后被三星、被自己连扇耳光。2014年三星发布了全新的旗舰微单相机，采用了一块28MP、APS-C画幅的背照传感器，连拍速度达到了15fps。更为惊人的是，三星传感器市场经理Jay Kelbley在采访中表示，NX1的传感器采用65nm铜互连工艺制造，其读取速度可达到了240fps（13bit下）。很可惜的是，自NX1发布后，三星在相机市场再无大的举措，还传出了要退出相机市场的信息。 在2015年索尼拿出了A7RII相机，采用42MP、全副背照传感器，14bit下连拍速度可达到了5fps，可在不裁切画幅情况下拍摄4K视频。在索尼官网上并没有该传感器资料，也没有其它厂商采用该传感器，估计是半导体部门特供给相机部门的芯片，最高读取速度并不清楚。BSI结构赋予了A7RII出色的高感光度表现，可苦于孱弱的处理器，连拍仅有5fps，估计A7RII后续产品会沿用该传感器、更换新处理器。
 铜互连与全局快门 在推进Exmor R的同时，索尼默默将传感器工艺从铝互连升级到铜互连。在1997年，IBM发布了首款采用铜互连工艺的芯片PowerPC 750。与铝线相比，铜线的导电电阻大约低40%，让芯片运行速度提高15%，可靠性提高了100倍，尺寸可以做得更小，为芯片增加互连层数提供了可能。可是铜原子能够在芯片的绝缘层中漂浮，还可能改变硅的电气属性，破坏设备运转。为此IBM采用钨触点、衬垫等一系列创新技术将铜从硅中隔离处理，防止了这些负面影响。 可直到A7RII发布，索尼（相机部门）才宣传采用了铜互连工艺，这点让人感到非常奇怪。早在2012年尼康发布的D600全副单反相机就采用了IMX128，该传感器能14bit下全像素实现6.9fps速度，相对D3X上的IMX028有了质的提升，这正是铜互连工艺带来的变化，而且电影级摄像机F55、F65的CIS能实现高速读取与铜互连也脱不了关系。估计在A7RII身上宣传铜互连工艺是对索尼对NX1的一个回应。 （A7RII传感器结构示意图）
在相机领域第一次听到全局快门（Global Shutter）一词得追溯到尼康2011年发布的尼康1系列微单相机，该系列相机采用Aptina（现被ON Semiconductor收购）出品的1英寸、10MP传感器，全像素连拍速度达到了60fps，记录至今未有一台相机能打破。 （Nikon1 V1上的CIS）
全局快门属于电子快门一种形式，在它出现前CIS采用的是卷帘快门（Rolling shutter)），传感器上的像素（光电二极管）逐行曝光、传输，在拍摄高速运动会形成“倾斜”、“摇摆不定”、“变形”的现象，也就是常说的果冻效应。全局快门为了解决此问题，在像素下部增加存储单元，在曝光时所有像素同时曝光并将信息保存到对应的存储单元之中，即使采用逐行传输方式也不会带来果冻效应。 索尼最早采用全局快门的产品是2012年推出的电影级摄像机F55，上面搭载了一块Super35格式、11.6MP传感器，拍摄4K视频可达60fps。在F55推出的很长一段时间内，索尼再没采用全局快门的货架CIS销售，也没有新的相机、摄像机采用该技术，直到去年工业用传感器IMX250LLR/LQR、IMX252LLR/LQR等产品出现，此时索尼为全局快门起了一个“东方神秘色彩”的名字Pregius。不过在2015年里采用全局快门CIS均是Exmor级别传感器，未能与BSI结合，更是局限于小尺寸、低像素产品。
 大小通吃的Exmor RS 在2012年8月20日索尼发布了“堆叠式结构”（stacked structure，后来索尼又将其翻译为积层型）的CIS，将其命名为Exmor RS。索尼表示该结构将承载背照式像素结构的像素部分叠放于附着信号处理电路的芯片上方，取代了用于背照式CMOS影像传感器的传统的支撑衬底。 （索尼官方的stacked structure示意图）
Exmor RS一出一片哗然，这到底是什么鬼？要理解stacked structure结构，最好抛开索尼官方资料，索尼的表述实在过于含糊，关键点也未说明，而且stacked structure不是索尼独有技术，有大量资料可以帮助我们理解该结构。 BSI将滤镜与光电二极管之间连线转移到光电二极管背面，但光电二极管阵列周边依然存在大量电路，在stacked structure结构下这些电路被转移到光电二极管背面，并通过TSV（Through Silicon Via，硅通孔）技术连接到其它芯片。这样有很多好处，首先是迁移电路后，CIS总面积减少，提高了良率，降低了成本；其次CIS是一种模拟电路，它不遵循摩尔定律，采用更小线宽工艺甚至会降低性能，电路移动背面以及采用TSV后，可以很轻松将两块不同工艺、不同类型芯片贴合在一起，典型的用法就是索尼RX100IV上的新1英寸CIS。 （三星的ISOCELL传感器，采用了stacked structure结构）
与A7RII相似，RX100IV上的CIS并没有出现索尼官网，也没有其他厂商使用，又是一款特供索尼相机部门采用。该传感器采用了stacked structure，相对IMX183增加了一倍ADC，将DRAM、ISP贴合在CIS的底部，用于缓存、读取、处理图像信息，实现了相机上前所未有的慢动作视频能力（1824×1026@250fps，1676×566@500fps，1136×384@1000fps）。 与Exmor R快速在智能手机普及一样，Exmor RS迅速在智能手机上普及开来，让智能手机实现了4K视频、1080P慢动作视频、PDAF一系列特性，iPhone 6s、Galaxy S7等手机甚至将多帧合成输出作为拍摄照片默认设置，手机与相机差距又进一步缩小。幸运的是，到了stacked structure时代，索尼比主要竞争对手三星、Omnivision有着不少优势，比如说滤镜到光电二极管的厚度更薄、画质表现更好，在庞大的产能下有效分摊了研发成本，依然保持销售额、占有率上的优势。
在NAB 2016上索尼发布了新款广播级摄像机HDC-4800，该机器采用了一块结合全局快门和stacked structure结构的Super35 CIS，模拟部分采用90nm制造工艺，数字部分采用了65nm制造工艺，应用了SLVE-EC总线（索尼在ISSCC 2011上发表），能以480fps速度输出4K图像。索尼敢于再次在大尺寸CIS采用全局快门其信心很可能源自于stacked structure结构。  焦点之外 内置ADC、BSI、stacked structure都是CIS常规套路，索尼能做到三星、Omnivision也能做到，索尼想要超越对手，自然要在其它方面下功夫，我们能一些零碎的信息中看到索尼这方面的努力。
IMX204是一块索尼于ISSCC 2015披露的CIS，官网产品列表亦有其信息，但却未有市售相机采用该传感器。在指标上IMX204并不突出，Exmor RS，1/1.7英寸，20MP像素，全像素读取速度30fps，其真正过人之处在于其它方面——“New is the DOUBLE single-slope ADC for every column, located on the second layer of silicon.  So every pixel can be converted into the digital domain twice and in parallel, resulting in a double sampling of the data.  If the timing of the ADCs is done right, a gain of 3 dB can be realized (= to the theoretical calculation).  In this configuration of multiple sampling, the resulting noise level is 1.3 electrons for a gain of 27 dB. ” 这是索尼首款提到双ADC的CIS，双ADC不是什么新鲜技术，我们甚至看过了大量采用双ADC拍摄影视作品——采用Alexa拍摄的《唐顿庄园》、《权利游戏》、《美国队长》、《荒野猎人》、《地心引力》……Alexa是ARRI在2009年推出一款电影级摄像机，其搭载的ALEV III传感器采用了双ADC技术，也就是双增益结构。每个像素拥有2个独立的信号通道连接两组不同的ADC，一个通道读取14bit高增益信号，另一个通道读取14bit低增益信号，最后通过处理器合成出一个16bit高宽度画面。至Alexa发布至今其宽容度从未被一款量产相机、摄影机超越，它能在全感光度范围下实现14stops宽容度，极限宽容度超过15stops。IMX204采用双ADC很可能是为了提高宽容度，也有可能是进一步提高读取速度，以目前信息来看很遗憾是更倾向后者。 从布莱斯·拜尔注册专利到今天整整是四十时间，拜尔阵列一直是CIS实现捕捉彩色图像的主流方案，然而近年来出现了不少新滤镜阵列以求取代老旧的拜尔阵列。索尼在NAB 2011上亮相了 F65电影级摄像机，其CIS为Super35格式，像素20MP，采用了全新的Q67——看起来像个倾斜了45°拜尔阵列，索尼表示Q67能实现更高效的插值采样，只要20MP即可实现8K分辨率。不过Q67仅F65一家再无分店，F65市场占有率也远远低于后来F55。 在去年发布的华为P8手机上采用的IMX278是索尼对改进拜尔阵列又一次改进，在传感器上采用了R、G、B、W四种滤镜来捕捉彩色图像。无独有偶，IMX278仅在P8亮相，再无其它手机使用。从技术层面上说，用什么颜色滤镜捕捉彩色图像更多属于ISP、属于软件算法问题，制造不同颜色滤镜对CIS制造并无多大技术难度可言。  结语 经过十年发展，索尼总算把主流传感器技术应用到大小尺寸CMOS图像传感器之上，没有出现所谓的“黑科技”，其结果是多方面的。在移动领域，索尼眼前不存在实力超强劲的对手，凭借着不错的性能、价格，能够获得很好的市场占有率，但利润率有限，现在面临着巨大的挑战——地震致CIS减产会造成三星等乘虚而入。 在相机层面，CIS销售数量虽不如前，但瑞萨退出、东芝被收购，即使佳能、松下尚在，已没有一家日本CIS供应商能正面挑战索尼的地位了。对于抱团只用日本传感器、日本处理器的相机厂商来说，这绝对是一个噩梦，索尼自从拥有了从上游影响相机市场的能力，大家只能含着泪继续用IMX094，说不定现在尼康在后悔没有把东芝半导体部门收入囊中。 而在高端领域，恐怕Teledyne Dalsa、ON Semiconductor、e2v还是对索尼报以呵呵一声，索尼十年努力不过让自己刚刚触摸到门槛而已。