索尼称霸CIS市场背后的故事

来源:半导体行业观察发布时间:2023-04-101397浏览

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自东洋经济，谢谢。

近年来，人们对半导体行业的关注程度越来越高，其中，图像传感器（Image Sensor）作为一项重要的战略物资，其存在感也愈发显著。图像传感器作为一种半导产品，其作用就相当于人类眼睛的“视网膜”。图像传感器将从摄像头镜片射入的光转为电气信号，产生“图片”。其用途十分广泛，如数码摄像机、智能手机、当下火热的“传感（Sensing）”领域。在如今全球的图像传感器行业，索尼半导体解决方案株式会社（以下简称为：“索尼”）的CCD和CMOS图像传感器业务占全球TOP1的市占率。索尼为什么能保持TOP1的市场地位呢？为了理解索尼的发展历史，本文笔者将带诸位了解索尼图像传感器的研发历史、企业文化。

“电子眼”推进摄影文化的进步

索尼在20世纪70年代开始研发图像传感器。当时，业界还没有CCD（Charge-coupled Device）的存在，于是索尼开始思考：“能否研发出一种半导体，可以将从镜头射入的光转换为电气信号，并用该信号制作出图像。”

“如果可以以较低的成本制作出CCD图像传感器，摄像机的价格也会相应地降低。如此一来，摄像机会普及至普通家庭，摄影、摄像会成为普通人的乐趣，成为人们生活的一部分。为了实现上述目标，索尼的研发、生产人员不断挑战了诸多问题。索尼获得的第一项成果是在20世纪80年代，将CCD图形传感器“ICX008”商品化。搭载了该传感器的照相机曾拍摄了全日空巨型飞机的起飞、着陆情况，并放映给机舱内乘客。

后来，索尼又克服了诸多生产、性能方面的问题，终于在1985年发布了首款搭载CCD图像传感器的家用摄像机“CCD-V8（注2）”。1989年，索尼发售8毫米摄像机一一“CCD-TR55”，并大获成功、风靡一时，该机型极其轻巧，重量仅为790克，是名副其实的“Handycam（掌中宝）”。此次成功成为了索尼图像传感器业务获得飞跃的契机。

搭载25万像素CCD的“CCD-V8”（左图），全球尺寸最小、质量最轻（注3）的“CCD-TR55”（右图）。

索尼坚持调整的“基因”：培养人才、创造未来

对于索尼为何能在CMOS上取得如此地位，索尼执行董事CFO 高野康浩先生做出了以下评论。

索尼内部有很多富于创新精神的成员（包括最初的创业人员），集团内部的文化是对创新人员予以奖励，高野先生在20多岁时曾被任命为规模达100亿日元的合资项目（Joint Venture）的负责人。在年轻的时候，被委以重任，即使失败，也能从中学到很多知识，获得成长。上述是索尼文化的表现之一。

索尼自成立之初就打造了一种“尊重每位员工，为每位员工提供成长、挑战的机会和场所”的企业文化。这种企业文化支撑着索尼在新领域一一半导体领域中迎接挑战、获得成功。其中一项成果即是索尼在2009年全球首例发布、量产的“背照式CMOS图像传感器”。

CMOS是一种摄像图像传感器，其结构与CCD大相径庭，且传输速度也远远高于CCD。另外，由于CMOS具有低电压、低功耗，因此，非常适用于视频、高精图像。另一方面，CMOS图像传感器易发生噪音，画质方面也有致命缺点。

索尼已经在CCD市场上构建了“坚不可摧”的市场地位，索尼想要打造的是一种非CMOS不可的摄影文化，以及一直引领业界、持续利用尖端技术感动客户，因此决定研发CMOS传感器。

经过多次试行错误，在2009年，发售了高清晰数字型（Digital High Vision）“Handycam（掌中宝）”，该摄像机搭载噪音小、清晰度高的“背照式CMOS图像传感器”。发布后，索尼又设立了新目标一一研发可用于手机的图像传感器。

研发时的样品比较图像。传统的表面照射型（左图）、当时新研发的背面照射型（右图）。

堆叠型CMOS图像传感器成为了“博弈改变者”

在索尼的挑战历程中，即使在前途不明的事业环境下，也持续坚持创造新技术。历时3年9个月的研发时间，索尼于2012年成功研发“堆叠式CMOS图像传感器”。如今，该类传感器不仅被应用于智能手机，还被广泛应用于我们生活中的诸多场景。

与数码相机、数码摄像机相比，手机要求的图像传感器尺寸更小、性能更高、价格更低。高野先生指出，真正开启智能手机应用先河的是索尼的一名资深工程师。

索尼的双层堆叠式CMOS图像传感器的印象图。

图像传感器主要有两部分构成，第一“图像部分”即将从外部进入的光转换为电气信号；第二为处理信号的“线路部分”，在当时的技术水平之下，索尼将两部分安装为同一基板上。后来，索尼提出了“将图像、线路分开的双层结构”的构思。这种构思在当时是无法想象的、极具独创性。该构思引领了未来图像传感器的飞跃式发展、拓展了图像传感器的用途范围。

索尼“叠层式CMOS图像传感器”的构造略图。

2021年，索尼全球首发双层晶体管像素堆叠式CMOS图像传感器技术，将饱和信号量约提升至原来的2倍，使动态范围扩大并降低噪点。索尼表示，在传统的堆叠式CMOS图像传感器的堆叠式结构中，背照式像素组成的像素芯片堆叠在逻辑芯片之上，而信号处理电路构成了逻辑芯片。在像素芯片内，用于将光转换为电信号的光电二极管和用于控制信号的像素晶体管在同一基片层并列。在这样的结构限制下，如何实现饱和信号量的最大化，对实现高动态范围、高图像质量的摄影具有重要作用。

索尼开发出的全新结构是堆叠式CMOS图像传感器技术的一项进步。索尼使用专有的堆叠技术，将光电二极管和像素晶体管封装在分离的基片上，一个堆叠在另一个上面。

相比之下，在传统的堆叠式CMOS图像传感器中，光电二极管和像素晶体管并排位于同一基片上。新的堆叠技术支持采用可以独立优化光电二极管和像素晶体管层的架构，从而使饱和信号量相比于传统图像传感器增加约一倍，进而扩大动态范围。

此外，因为传输门 (TRG) 以外的像素晶体管，包括复位晶体管 (RST)、选择晶体管 (SEL) 和放大晶体管 (AMP)，都处于无光电二极管分布这一层，所以放大晶体管（AMP）的尺寸可以增加。通过增加放大晶体管尺寸，索尼成功地大幅降低了夜间和其他昏暗场景下图像容易产生的噪点问题。

这项新技术使动态范围扩大并降低了噪点，将避免在有明暗差（例如背光设置）的场景下曝光不足和过度曝光的问题，即使在光线不充足（例如室内、夜间）的场景下也能拍摄高质量低噪点的图像。

索尼将通过双层晶体管像素技术致力于实现更高质量的成像，例如智能手机拍摄等。

上述构思获得了极大的成功！如今，上述构思应用于智能手机方向图像传感器后，为索尼带来了50%以上的销售额。在智能手机市场呈现高增长趋势之时，索尼利用“双层堆叠式结构”技术，研发了一项可搭载小型、高性能芯片的“高性价比”技术。该技术为提高智能手机的摄像功能做出了极大的贡献，受到了诸多智能手机厂家的关注。如今，该业务是索尼集团内的一项前景性业务，发展喜人。

由传感技术开拓的“传感社会（Sensing Society）”

不知道读者们是否听过“寒武纪大爆发（Cambrian Explosion）”。距今约5亿4000万年前发生了“寒武纪大爆发”，并因此诞生了诸多物种，很多生物进化出了眼睛。索尼的图像传感器作为“电子眼”是基于诸多工程师的构思和不断的努力发展至今的。如今，图像传感器不仅可以留下精美的图案，还可以捕捉人眼看不见的信息，并获得了长足的发展，就如同寒武纪时代的物种大爆发一样，索尼的图像传感器改变着诸多社会领域。

那么，索尼的图像传感器究竟可以有效利用于那些领域呢？举例而言，图像传感器已经成为了诸多领域的重要元素，如无人驾驶领域、制造业中的工厂自动化（Factory Automation）、零售店的数字化转型（Digital Transformation，简称为：“DX”）、以获取数据为目的的传感领域等领域。

此外，索尼在2020年5月发布全球首个“智能图像传感器（Intelligent Vision Sensor ）”一一“IMX500”（注5），该传感器搭载了AI处理功能，可以说该款芯片是将“视网膜”和“大脑”直接连在了一起。此外，由于该款图像传感器直接在内部进行AI处理，因此不需要将数据传送至云端，有利于减轻数据中心的负荷、削减电力。如今，索尼正在进行新的努力，以推进图像传感器在诸多社会场景的应用，如解决市区内交通拥堵问题、零售业的智能化、以控制大楼内空调系统功耗为目的的解决方案等。

利用“IMX500”进行的诸多实验。为零售业提供解决方案（如库存数量等）（左图），在意大利的罗马进行监测交通情况的验证实验，以解决社会问题（右图）。

此外，图像传感器作为一项捕捉现实世界的技术，未来依然会受到业界关注。被称为“元宇宙”的虚拟世界愈是普及，与现实世界的衔接就越重要。随着未来“元宇宙”的普及，图像传感器作为一项可以识别现实世界的技术，在一些新的行业和领域，依然会成为一项核心技术。

在谈到CMOS传感器未来发展时，索尼相关负责人曾在一篇名为《“Evolving Image Sensor Architecture through Stacking devices”》中表示，为了更优化、更高效地集成光电二极管、像素电路、ADC、数字处理器和存储器等功能模块，需要能够进一步实现多层化、区块化的多层堆叠技术。这些技术的发展，也能够进一步加速CMOS图像传感器的使用和新应用的开发，不断改善我们的生活。

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