Sony 慢动作摄影芯片 IMX400 解密，每秒 960 格

Sony 在 2017 MWC 发布的 Xperia XZ Premium 最近已经开始上市。其特色除了采用最新 Qualcomm 835 芯片组，延续上一代 Z5 Premium 使用的 4K 屏幕，并加入 HDR 功能。最主要的亮点为同时发布的 Xperia XZs 也使用的 Motion Eye 相机技术。Mobile Eye 使用堆叠式（Stacked）存储器感光元件（CMOS Image Sensor / CIS），能录制每秒 960 格录影功能（960p），拍摄效果有如电影的慢动作特效。此功能成为 Sony 在 2017 旗舰机上的招牌。

Sony 一直都是影像感测器技术市占率的领先者。在影像感测器发展史上，Sony 从早年 CCD 发展到 CMOS 技术。作为数码摄影不可缺少的基本元件，Sony 的 CIS 除了供给自己相机与手机部门使用，也供应给手机的竞争对手，包括苹果 iPhone 与 Samsung 的 Galaxy 系列手机（目前最新 iPhone 7 与 Galaxy S8 也持续采用），目前市占率全球第一。

使用在 XZ Premium 与 XZs 上的 CIS 为 IMX400，规格为 1/2.3、1,900 万像素。对 IMX400 如何做到电影慢动作（960p）呈现特殊时刻，Sony 除了在东京发布会透露一些规格，外界很难一窥堂奥，还好今年 IEEE ISSCC（国际固态电路研讨会），Sony 发布了一篇《A 1/2.3-inch 20Mpixel 3-layer Stacked CMOS Image Sensor with DRAM》，外界可以透过了解在电路设计发布的最高殿堂中揭露的内容，进一步了解这颗 IMX400 的运作秘密。

Motion Eye 的运作方法，可以相容于目前的 MIPI 协定，采用 CSI2（CPHY 2.0GPs / Lane）与传统应用处理器（AP）内的影像处理单元（ISP）相连，在慢动作播放时，也就是先用高速摄影（960p）录制，后而使用正常速度（通常为 30p）播放来产生慢动作效果，而 IMX400 最大的优势就是不需要改变现行手机内对 AP 的支持（不需更新更快 MIPI 的传输速度），单靠使用 IMX400 即可让手机支持此慢动作播放的功能。

客制化 DRAM 储存传送资料是关键

IMX400 如其所宣称的采用 3 层堆叠元件组成（见下图），分别是最上层的背照式感光元件，与最下层的逻辑电路元件。中间使用 DRAM 形成类似三明治的组合。由于手机内的相机镜头模组空间相当珍贵，所有组成单位都必须非常轻薄，根据 Sony 公布的资料，除了本身制造的 CIS，内含的 DRAM 包含传统 CIS 内的 Row driver，推测应该是 Sony 为了平衡三层元件的电路面积，与合作伙伴一起客制化开发的 DRAM，此 DRAM 的目的最主要为用来高速摄影（960p）时当储存的功能。

（Source：Sony）

根据在 ISSCC 发布的论文，上层 CIS 采用 1AL5Cu 90nm 技术，中层 DRAM 为 1W3AL 的 30nm 制造，最下层的逻辑电路则为 1AL6Cu 40nm 技术。拆解机构 TechInsights 的报告也证实论文内芯片面积中间采用矽穿孔技术（TSV）相连 CIS 到 DRAM 的 Row Driver，再继续把讯号传送到最下层逻辑电路内的 ADC，由于高速摄影产生的瞬时大量资料，共有 4 个 ADC 内来产生转换后的数位资料，而为了将此资料能即时储存到 DRAM，Sony 特地设计了高达 512 Bits 来运作在 200 MHz 的传输界面为 DRAM 与逻辑电路沟通，非常类似 Wide IO 的设计理念。

而实际拍摄高速摄影的运作模式，在使用者按下高速摄影触发点后，CIS 即会从传统的 30p 转换为 960p，在塞满 DRAM 后，就会自动回复原来 30p 的录制，CIS 也会在传送当下图片给 AP 时，将之前录影储存在 DRAM 的高速摄影内容，在目前 1/30 秒的拍摄间隔时同时传回给 AP，一旦 DRAM 传回清空，手机即可继续录制下一个慢动作播放的内容。

IMX400 使用的高速摄影功能不只可新增慢动作播放的内容，由于 CIS 本身每次扫描线的储存时间都不相同的特性（CIS 不像 CCD 一样所有扫描线都开始同时储存［全面曝光／Global Exposure］，而是一次储存一条（Line Exposure），此为 CMOS 本身运作的特性），在拍摄的物件高速移动时会产生 Rolling Shutter 效应，此状况会让拍摄后的照片扭曲变形。体积较大型的数位单眼相机之所以能够避免这个问题是采机器快门，但在手机上实施机器快门目前有难度，而 IMX400 具备的高速摄影能力（也就是缩短每次扫描线相隔的时间）可以减缓此拍摄问题的效应。

Sony 这次透过 CIS 在手机的创新势必引起竞争对手跟进，最可能借由采用 Sony 半导体的上述 IMX400 来达成同样功能。而目前在 Mobile CIS 市占率第二高的 Samsung 由于同时兼具 CIS 与 DRAM 制造技术（故在 IMX400 的 DRAM 合作伙伴可能为 Micron 或 SK Hynix），预计跟进发布类似技术也可预期，但一般读者可能比较在意的是苹果（或是其他手机），何时会跟进采用放入 iPhone 内。