CMOS, выведите на рынок 100 миллиардов чипов

Поскольку дивиденды от потребления мобильных устройств снижаются, производители мобильных устройств стремятся выйти на рынок высокого класса.От линз до чипов, экранов и аккумуляторов — все аспекты производительности были значительно улучшены.Однако прогресс в различных аспектах застопорился.В конце концов производители смартфонов снова обратили свое внимание на камеру.Неровности камеры смартфона становятся все более заметными, и прошло 13 лет с момента выпуска революционного продукта iPhone 4.

Количество пикселей увеличилось с двух миллионов до десятков миллионов, расширяя возможности одного объектива.Следовательно, количество линз на одном телефоне выросло.От двойных камер до нескольких камер (тройных камер, четверных камер) появилось множество потрясающих терминов: пиксели уровня зеркальных фотокамер, широкоугольные и сверхширокоугольные объективы, регулируемая диафрагма, 3-кратный оптический зум, телеобъективы в стиле перископа, один -дюймовые датчики и так далее.

Производители все чаще сотрудничают с известными брендами обработки изображений, такими как Hasselblad, Leica, Zeiss и Sony.

Большинство потребителей готовы платить за функции камеры, поэтому превращение смартфонов в камеры стало шагом, порожденным необходимостью для производителей в условиях растущей гомогенизации инноваций в смартфонах.

Напротив, недавно устаревшая технология CCD, тип карточной камеры, оснащенной датчиком изображения CCD, пережила возрождение.Возникла волна ностальгии по CCD, характеризующаяся предпочтением старого перед новым.ПЗС, когда-то считавшаяся «электронным мусором», стала новым фаворитом среди молодежи и любителей моды.

Прародительница CMOS для смартфонов, CCD, изменила то, как мы наблюдаем и записываем мир.Однако его изобретатель получил Нобелевскую премию по физике только 40 лет спустя, в 2009 году. Можно сказать, что без прогрессивного развития ПЗС-матрицы КМОП не существовала бы.Восходящая звезда CMOS переняла эстафету CCD и движется в более отдаленное будущее.

Прочитав эту статью, вы получите представление о:

1. Прошлое и настоящее КМОП.

2. Как незаметные датчики могут взорвать рынок стоимостью в миллиард долларов.

01

«Основа» цифровой камеры: от CCD к CMOS

Датчики изображения, CCD и CMOS — можете ли вы их отличить?

Это проекция, полученная первым датчиком изображения CCD: «S». В 1969 году Bell Labs изобрела устройство с зарядовой связью (CCD), которое могло преобразовывать оптические изображения в электронные сигналы, заложив основу для цифровых камер.

Это буква «S», записанная ПЗС-матрицей в 1972 году, когда инженеры SONY успешно завершили проецирование буквы «S» с помощью 64-пиксельной ПЗС-матрицы;Источник: Сеть

Вначале производительность ПЗС-матрицы была ограничена: она могла фиксировать только информацию о яркости, поэтому ограничивалась записью черно-белых изображений.

«Предательская восьмерка» покинула Bell Labs и прибыла в Силиконовую долину.Вскоре после выпуска первого восьмибитного процессора Intel 8008 в 1973 году компания Fairchild Semiconductor представила первое в мире коммерческое устройство с зарядовой связью (CCD).

В 1975 году «король кино» Kodak использовал матрицу Fairchild 201100 CCD для создания первой цифровой камеры.Эта камера имела 1,3 миллиона пикселей, что устраняло необходимость в пленке.ПЗС-матрица захватывала изображения, но не могла их сохранить.Чтобы решить эту проблему, компания использовала оперативную память (ОЗУ) для захвата данных изображения, которые затем переносились на кассету.

Название: 网络

Kodak стала одним из первых игроков в области технологии CCD.К сожалению, несмотря на значительную прибыль Kodak от пленочной фотографии, компания решила прекратить исследования и инновации в области ПЗС-матриц, когда обнаружила, что цифровым камерам пленка не требуется.Этот отказ адаптироваться привел к потере выигрышной комбинации.

Sony присоединилась к числу цифровых камер, начав проект CCD в 1973 году и выпустив чип с поддержкой 110 000 пикселей к 1978 году. Камера MAVICA, представленная в 1981 году, стала первой в мире коммерчески доступной цифровой камерой.В 1985 году Sony выпустила первую портативную видеокамеру CCD M8.

Эта волна технологических инноваций быстро прокатилась по Японии, и японские компании агрессивно вышли на мировой рынок цифровых фотоаппаратов.К 21 веку Sony, Fuji, Kodak, Philips, Panasonic и Sharp вошли в число шести производителей, способных массово производить продукцию, связанную с ПЗС-матрицами.

В конце 1990-х годов ПЗС-матрица нашла применение не только в цифровых камерах потребительского уровня, но и широко использовалась в профессиональной электронной визуализации, исследовании космоса, рентгеновской визуализации и других областях исследований.

По мере развития ПЗС-технологии постепенно проявлялись ее недостатки: сложные производственные процессы, несовместимость со стандартными процессами, высокие производственные затраты, большие размеры и высокое энергопотребление.Комплементарный датчик изображения металл-оксид-полупроводник (КМОП) оказался самым большим победителем после ПЗС-матрицы.

Эти два типа датчиков изображения, CCD и CMOS, по существу соответствуют процессам TTL и CMOS соответственно.

ПЗС (устройство с зарядовой связью) соответствует структуре МОП (металл-оксид-полупроводник) и включает в себя массив аккуратно расположенных конденсаторов (МОП-конденсаторы) для преобразования фотонов в электроны для захвата изображения.С другой стороны, CMOS (дополнительный металл-оксид-полупроводник) соответствует структуре MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник).

Датчики CCD пассивно собирают данные и требуют внешнего напряжения для перемещения заряда в каждом пикселе, тогда как датчики CMOS активно собирают данные, усиливая и выводя заряд, генерируемый светочувствительным диодом, непосредственно через транзисторы.ПЗС-матрица выводит аналоговые сигналы для последующей обработки, а КМОП-сенсоры могут напрямую выводить обработанные данные;Источник: КОВЕНТОР.

Эти два разных метода сбора данных имеют наиболее заметную разницу в энергопотреблении между ними.Кроме того, существуют различия в качестве изображения, скорости обработки и других аспектах, как показано в следующей таблице:

В действительности, технология КМОП заложила самую надежную основу для маломощных интегральных схем, что сделало ее в настоящее время доминирующей технологией изготовления микросхем во всем мире.По мере того как системы машинного зрения переходят от традиционных конструкций на уровне платы к небольшим интеллектуальным системам, процессы КМОП могут идти в ногу с законом Мура, обеспечивая более высокую интеграцию микросхем и более низкое энергопотребление.

В первые годы датчики изображения не производились с использованием КМОП-процессов.Лишь в конце 1980-х годов Эдинбургский университет успешно разработал первый в мире однокристальный CMOS-датчик изображения.В 1997 году британская компания VLSIVersion впервые добилась коммерциализации датчиков изображения CMOS.

В 2000 году Sony успешно разработала свой первый датчик изображения CMOS (IMX001).Однако в то время недостатки CMOS-сенсора с точки зрения качества изображения и шума все еще были значительными, что не позволяло немедленно бросить вызов доминирующему положению CCD.

02

Незаметные датчики,

Выход на рынок стоимостью в миллиард долларов

Однако с развитием и зрелостью технологии КМОП, а также постоянным снижением затрат, цены на цифровые камеры действительно начали становиться более доступными, а развитие ПЗС-матрицы вступило в «период узкого места». основная технология, не полностью заменяющая ПЗС, но в значительной степени вытесняющая ее.ПЗС-сенсоры сейчас сохранились только в высококлассной профессиональной аппаратуре среднего формата.

За тем, как CMOS становится основной технологией фотографии, стоит огромная сила.Смартфоны, родившиеся почти одновременно с цифровыми фотоаппаратами в 1999-2000 годах, стали мощным конкурентом.

По мере того как смартфоны превращались из обычных телефонов в интеллектуальные устройства, включающие в себя расширенные функциональные возможности камеры и постоянное обновление количества пикселей камеры для улучшения качества фотосъемки, они постепенно сокращали долю рынка цифровых камер.

В 2008 году Nokia представила классический N96, оснащенный 5-мегапиксельной камерой.За этот год Nokia продала ошеломляющие 460 миллионов мобильных телефонов по всему миру, что не только превзошло многих производителей фотоаппаратов, но и стало проблемой для последующих компаний, производящих мобильные телефоны.На какое-то время Nokia стала крупнейшим в мире «производителем фотоаппаратов».

2010 год стал решающим поворотным моментом как для мобильных телефонов, так и для цифровых камер.С выпуском iPhone 4 с 5-мегапиксельной задней камерой, улучшенным пользовательским интерфейсом и качеством изображения благодаря программным интерфейсам и оптимизированным алгоритмам сфера фотографии на мобильные телефоны сделала значительный шаг вперед.Производители Android-смартфонов переключили свое внимание с гонки за мегапикселями на такие области, как объективы, процессоры и алгоритмы оптимизации.

Стоит отметить, что с 2003 по 2010 год поставки цифровых фотоаппаратов ежегодно демонстрировали стабильный рост.Однако после достижения своего пика в 2010 году, когда было отгружено 121 миллион единиц, поставки начали быстро снижаться.Смартфоны вскоре превзошли цифровые фотоаппараты по объемам поставок и оставили их далеко позади.

Резко растущий спрос на смартфоны стал выгодной возможностью в глазах производителей датчиков.

Датчики изображения CMOS сделали «чип-камеры» все более жизнеспособными.Три преимущества: «низкая себестоимость», «низкий технический порог» и «низкое энергопотребление» стали незаменимыми для КМОП-сенсоров.

Интеграция функциональности одного чипа, обеспечивающая крупномасштабное массовое производство чипов, значительно снизила производственные затраты.Цифровые линзы в таких устройствах, как смартфоны и компьютеры, стали меньше, более энергоэффективными, быстрее обрабатывают изображения и более доступными.Сегодня даже крошечный датчик изображения смартфона может достигать сотен миллионов пикселей, что способствует быстрому распространению бытовой электроники.

В 2011 году внимание привлекли данные многочисленных профессиональных фотографов и любителей фотографии.Данные показали, что всего за год после выпуска 5-мегапиксельный iPhone 4 превзошел 12-мегапиксельный Nikon D90, выпущенный тремя годами ранее, став самым популярным устройством съемки на Flickr.

Появление iPhone 4 ознаменовало постепенное признание мобильной фотографии профессиональными фотографами.К этому времени продажи цифровых фотокамер за последние пять лет снизились на 29%, а продажи традиционных видеокамер также снизились на 21%.

Датчики мобильных линз превратились из датчиков CCD с несколькими сотнями тысяч пикселей в датчики CMOS с разрешением 200 миллионов пикселей, что привело к качественному скачку в производительности изображения и способствовало быстрому росту рынка.Несмотря на замедление потребительского спроса на смартфоны примерно в 2020 году, сектор камер для смартфонов остается значительным и продолжает демонстрировать рост.

Количество камер в смартфонах среднего и бюджетного класса быстро увеличивается, при этом новые модели постоянно обновляются и включают в себя четыре камеры.Как только количество достигает определенного уровня, фокус смещается на сравнение производительности.Даже модели бюджетного уровня переходят в область высоких пикселей, где ранее конфигурации высокого класса больше не являются эксклюзивными, а теперь доступны в устройствах среднего и низкого уровня.

По данным исследовательской компании Counterpoint Research, во второй половине 2022 года среднее количество камер на смартфон составляло 3,9, а в первой половине 2023 года немного снизилось до 3,8. Хотя это примечательная цифра, ожидается, что рынок смартфонов восстановится. после года сокращения запасов в 2024 году. Прогнозируется, что рынок модулей камер для смартфонов возобновит рост, при этом ожидается, что поставки увеличатся на 3% в годовом исчислении до примерно 4,171 миллиарда единиц.

Оглядываясь назад на рынки ПЗС и КМОП, разрыв между ними увеличивается.

Данные показывают, что мировой рынок датчиков изображения CCD достиг 1,74 миллиарда долларов в 2022 году, а к 2031 году, по прогнозам, он достигнет 2,68 миллиарда долларов, при этом совокупный годовой темп роста (CAGR) составит 4,9% в течение прогнозируемого периода 2023-2031 годов.В 2020 году мировой рынок КМОП-датчиков изображения оценивался в 20,725 миллиарда долларов, и ожидается, что к 2028 году он достигнет 39,624 миллиарда долларов, а среднегодовой темп роста составит 8,6% в течение прогнозируемого периода.По данным Mordor Intelligence, объем рынка КМОП-датчиков изображения в 2023 году составит 21,33 миллиарда долларов, а к 2028 году, по прогнозам, он достигнет 30,08 миллиарда долларов.

Доля рынка КМОП-сенсоров изображения намного превысила долю ПЗС-матриц и демонстрирует беспрецедентно быстрый рост.

来源: отчеты о росте рынка

来源: отчеты о росте рынка

Помимо наибольшей доли рынка в секторе бытовой электроники, область применения КМОП-датчиков изображения также включает автомобильную, аэрокосмическую, медицинскую технику и военную технику.В настоящее время на рынке СНГ (CMOS Image Sensor) доминируют такие компании, как Sony Semiconductor, STMicroelectronics, Samsung Electronics, OmniVision (OV) и ON Semiconductor.Среди них тройка крупнейших производителей — Sony, Samsung и OV — в совокупности занимают более 70% доли рынка.

ПЗС-матрица, помимо своей доминирующей роли в бытовой электронике, также находит применение в таких областях, как безопасность и наблюдение, медицинская визуализация и автомобильный транспорт.Спрос на ПЗС-матрицы продолжает расти, особенно в промышленной сфере, где возрастают требования к четкости изображения и помехоустойчивости.Однако развитие автономного вождения и технологии КМОП сдерживает рост рынка ПЗС-матриц.

В настоящее время основными сценариями применения ПЗС и КМОП по-прежнему являются бытовая электроника.Однако рост и широкое распространение смартфонов полностью продемонстрировали рыночную ценность КМОП, в то время как ПЗС отошли на второй план, продолжая играть роль в высококачественных приложениях обработки изображений.

03

Заключение:

ПЗС-матрица, составляющая меньшую часть рынка датчиков изображения, сталкивается с проблемами при внедрении новых продуктов потребительского уровня, будь то возрождение компактных ретро-камер или камер высокого класса с высокой ценой.CMOS стала доминировать, а смартфоны заняли место в фотографии в ограниченном пространстве.Этот сдвиг не только снизил стоимость фотографии, сделав ее более доступной, но также способствовал развитию технологии КМОП.Будь то цифровые камеры, автомобили, робототехника, дроны или приложения AR/VR, CMOS процветает, и ожидается, что ее яркие дни продолжатся и в будущем.