過去十年是CIS（CMOS Image Sensor，CMOS圖像傳感器）飛速發(fā)展的十年，索尼的半導(dǎo)體部門正是借此崛起，根據(jù)Yole的報(bào)告，索尼坐穩(wěn)了全球第一大CIS供應(yīng)商位置——即使不算剛剛收購(gòu)的東芝，銷售額也達(dá)到了35%、出貨量更是高達(dá)50%，超過第二名三星、第三名Omnivision之和。與此同時(shí)，索尼CIS一靠iPhone二靠DXOMark實(shí)現(xiàn)了名利雙收。
今天索尼傳感器看著風(fēng)光無限，可誰想到過去十年索尼不為人知的努力與遭受的白眼，比如說尼康的旗艦全副幾乎不采用索尼傳感器，像素長(zhǎng)期被佳能壓制，另一方面索尼在CIS的“黑科技”一點(diǎn)也不黑，事實(shí)上不過遵循業(yè)界技術(shù)發(fā)展而已，過去十年是索尼CIS的奮斗史、追趕史。
Exmor誕生
與歐美企業(yè)喜歡采用簡(jiǎn)單明了的命名方式不一樣（比如說普及最廣的彩色濾鏡陣列，就根據(jù)其特征命名為RGGB排列，或采用發(fā)明者的名字），日本企業(yè)命名更具“神秘東方色彩”，一個(gè)能夠通俗易懂的技術(shù)會(huì)加上玄之又玄的名字，這點(diǎn)索尼最為突出。
在2007年索尼發(fā)布了首款Exmor傳感器，相對(duì)以往CIS，Exmor最大變化是內(nèi)置了ADC（analog-to-digital converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。在外置ADC傳感器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，每列像素產(chǎn)生的信號(hào)先通過降噪電路，匯聚后再通過外部總線傳輸?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，在CIS芯片上即可完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后通過數(shù)字總線傳輸出去。由于Exmor的ADC數(shù)量非常龐大，每個(gè)ADC能在低頻率下運(yùn)行，僅達(dá)到kHz級(jí)別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于外置ADC的MHz級(jí)別，有效減少了噪聲，也利于實(shí)現(xiàn)高速讀取。而且Exmor輸出的是數(shù)字信號(hào)，抗干擾性更好，易于長(zhǎng)距離布線，亦無須ADC靠近CIS布置，大幅度簡(jiǎn)化了PCB設(shè)計(jì)。
IMX035是索尼首塊Exmor傳感器，應(yīng)用于安保領(lǐng)域，1/3英寸、像素為1328×1024，能以全像素輸出120fps，內(nèi)置ADC功不可沒。Exmor的成果迅速被索尼應(yīng)用到其它領(lǐng)域之中， 2008年發(fā)布的單反相機(jī)尼康D3X、索尼A900正是采用了索尼24MP全副傳感器IMX028，不過在IMX028上索尼只能實(shí)現(xiàn)12bit、5fps全像素連拍，為了保證畫質(zhì)尼康不得不外置了14bit ADC。
（尼康 D3X上的IMX028）
與業(yè)界先進(jìn)水平相比——例如是ARRI在2005年推出的D20攝像機(jī)（其6MP、Super35規(guī)格CIS在12bit下峰值輸出達(dá)到了150fps）或是稍遜的2007年亮相Red One Mysterium-X（4K@60fps），索尼在2007年才實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置ADC，還是在小尺寸傳感器下實(shí)現(xiàn)的，落后不是不是一丁半點(diǎn)。但憑借Exmor索尼拿到了進(jìn)入CIS市場(chǎng)的“準(zhǔn)入證書”，開始了小步快跑的追趕之路。而日本另一家大型CIS制造商佳能長(zhǎng)年徘徊在內(nèi)置ADC的門檻之外，2015年傳感器銷售額大跌16%毫不讓人意外。
（Red One Mysterium-X上的傳感器）
借手機(jī)上位的Exmor R
在實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置ADC后索尼高歌猛進(jìn)，2008年推出了采用BSI（Back-illuminated，背照式）技術(shù)的Exmor R傳感器。Exmor R沿用了Exmor套路，先在技術(shù)難度較低的小尺寸CIS上試水，首款產(chǎn)品是IMX055CHL，尺寸為1/4英寸，總像素為2048×1536，被應(yīng)用在HDR-CX110等攝像機(jī)當(dāng)中。不過讓Exmor R揚(yáng)名立萬的，不是索尼自家相機(jī)、攝像機(jī)，而是蘋果的iPhone 4s。
iPhone 4作為一款劃時(shí)代產(chǎn)品其意義不必多表，與大家映像中iPhone采用索尼CIS不一樣，iPhone 4采用的是來自O(shè)mnivision的OV5642背照傳感器，直到iPhone 4s上蘋果才改用索尼8MP的IMX145背照傳感器。在FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED，前照式）時(shí)代里，拜爾陣列濾鏡與光電二極管（Photo-diode）間存在大量金屬連線，阻隔了大量進(jìn)入傳感器表面的光線。為了緩解該問題，TowerJazz、松下提出過在每個(gè)光電二極管前端加入導(dǎo)光管（Front-side via wave guides）方案，但效果遠(yuǎn)不如BSI明顯。在BSI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，信噪比大幅度提高，而且可以采用更復(fù)雜、更大規(guī)模電路來提升傳感器讀取速度。自BSI傳感器普及起，手機(jī)夜拍不再是難事，便攜數(shù)碼相機(jī)的衰落加速，索尼半導(dǎo)體部門以損失一個(gè)小市場(chǎng)換來一個(gè)大市場(chǎng)。
Exmor R對(duì)相機(jī)市場(chǎng)造成實(shí)質(zhì)影響還得等到索尼黑卡二代RX100II面世，該相機(jī)采用的IMX183傳感器相對(duì)前一代IMX163主要指標(biāo)沒有變化（1英寸、20MP、22fps），但高感光度表現(xiàn)大幅度飆升，后來該傳感器紛紛被佳能、松下相機(jī)所采用（要明白佳能、松下均能自產(chǎn)傳感器）。
既然BSI療效這么顯著，那什么時(shí)候APS-C、全副相機(jī)才能用上呢？當(dāng)年索尼被問及此問題時(shí)卻拋出了一個(gè)背照在大尺寸傳感器上無用論?？扇蘸笏髂嵯群蟊蝗?、被自己連扇耳光。2014年三星發(fā)布了全新的旗艦微單相機(jī)，采用了一塊28MP、APS-C畫幅的背照傳感器，連拍速度達(dá)到了15fps。更為驚人的是，三星傳感器市場(chǎng)經(jīng)理Jay Kelbley在采訪中表示，NX1的傳感器采用65nm銅互連工藝制造，其讀取速度可達(dá)到了240fps（13bit下）。很可惜的是，自NX1發(fā)布后，三星在相機(jī)市場(chǎng)再無大的舉措，還傳出了要退出相機(jī)市場(chǎng)的信息。
在2015年索尼拿出了A7RII相機(jī)，采用42MP、全副背照傳感器，14bit下連拍速度可達(dá)到了5fps，可在不裁切畫幅情況下拍攝4K視頻。在索尼官網(wǎng)上并沒有該傳感器資料，也沒有其它廠商采用該傳感器，估計(jì)是半導(dǎo)體部門特供給相機(jī)部門的芯片，最高讀取速度并不清楚。BSI結(jié)構(gòu)賦予了A7RII出色的高感光度表現(xiàn)，可苦于孱弱的處理器，連拍僅有5fps，估計(jì)A7RII后續(xù)產(chǎn)品會(huì)沿用該傳感器、更換新處理器。
銅互連與全局快門
在推進(jìn)Exmor R的同時(shí)，索尼默默將傳感器工藝從鋁互連升級(jí)到銅互連。在1997年，IBM發(fā)布了首款采用銅互連工藝的芯片PowerPC 750。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%，可靠性提高了100倍，尺寸可以做得更小，為芯片增加互連層數(shù)提供了可能?？墒倾~原子能夠在芯片的絕緣層中漂浮，還可能改變硅的電氣屬性，破壞設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。為此IBM采用鎢觸點(diǎn)、襯墊等一系列創(chuàng)新技術(shù)將銅從硅中隔離處理，防止了這些負(fù)面影響。
可直到A7RII發(fā)布，索尼（相機(jī)部門）才宣傳采用了銅互連工藝，這點(diǎn)讓人感到非常奇怪。早在2012年尼康發(fā)布的D600全副單反相機(jī)就采用了IMX128，該傳感器能14bit下全像素實(shí)現(xiàn)6.9fps速度，相對(duì)D3X上的IMX028有了質(zhì)的提升，這正是銅互連工藝帶來的變化，而且電影級(jí)攝像機(jī)F55、F65的CIS能實(shí)現(xiàn)高速讀取與銅互連也脫不了關(guān)系。估計(jì)在A7RII身上宣傳銅互連工藝是對(duì)索尼對(duì)NX1的一個(gè)回應(yīng)。
（A7RII傳感器結(jié)構(gòu)示意圖）
在相機(jī)領(lǐng)域第一次聽到全局快門（Global Shutter）一詞得追溯到尼康2011年發(fā)布的尼康1系列微單相機(jī)，該系列相機(jī)采用Aptina（現(xiàn)被ON Semiconductor收購(gòu)）出品的1英寸、10MP傳感器，全像素連拍速度達(dá)到了60fps，記錄至今未有一臺(tái)相機(jī)能打破。
（Nikon1 V1上的CIS）
全局快門屬于電子快門一種形式，在它出現(xiàn)前CIS采用的是卷簾快門（Rolling shutter）），傳感器上的像素（光電二極管）逐行曝光、傳輸，在拍攝高速運(yùn)動(dòng)會(huì)形成“傾斜”、“搖擺不定”、“變形”的現(xiàn)象，也就是常說的果凍效應(yīng)。全局快門為了解決此問題，在像素下部增加存儲(chǔ)單元，在曝光時(shí)所有像素同時(shí)曝光并將信息保存到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元之中，即使采用逐行傳輸方式也不會(huì)帶來果凍效應(yīng)。
索尼最早采用全局快門的產(chǎn)品是2012年推出的電影級(jí)攝像機(jī)F55，上面搭載了一塊Super35格式、11.6MP傳感器，拍攝4K視頻可達(dá)60fps。在F55推出的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，索尼再?zèng)]采用全局快門的貨架CIS銷售，也沒有新的相機(jī)、攝像機(jī)采用該技術(shù)，直到去年工業(yè)用傳感器IMX250LLR/LQR、IMX252LLR/LQR等產(chǎn)品出現(xiàn)，此時(shí)索尼為全局快門起了一個(gè)“東方神秘色彩”的名字Pregius。不過在2015年里采用全局快門CIS均是Exmor級(jí)別傳感器，未能與BSI結(jié)合，更是局限于小尺寸、低像素產(chǎn)品。
大小通吃的Exmor RS
在2012年8月20日索尼發(fā)布了“堆疊式結(jié)構(gòu)”（stacked structure，后來索尼又將其翻譯為積層型）的CIS，將其命名為Exmor RS。索尼表示該結(jié)構(gòu)將承載背照式像素結(jié)構(gòu)的像素部分疊放于附著信號(hào)處理電路的芯片上方，取代了用于背照式CMOS影像傳感器的傳統(tǒng)的支撐襯底。
?。ㄋ髂峁俜降膕tacked structure示意圖）
Exmor RS一出一片嘩然，這到底是什么鬼？要理解stacked structure結(jié)構(gòu)，最好拋開索尼官方資料，索尼的表述實(shí)在過于含糊，關(guān)鍵點(diǎn)也未說明，而且stacked structure不是索尼獨(dú)有技術(shù)，有大量資料可以幫助我們理解該結(jié)構(gòu)。
BSI將濾鏡與光電二極管之間連線轉(zhuǎn)移到光電二極管背面，但光電二極管陣列周邊依然存在大量電路，在stacked structure結(jié)構(gòu)下這些電路被轉(zhuǎn)移到光電二極管背面，并通過TSV（Through Silicon Via，硅通孔）技術(shù)連接到其它芯片。這樣有很多好處，首先是遷移電路后，CIS總面積減少，提高了良率，降低了成本；其次CIS是一種模擬電路，它不遵循摩爾定律，采用更小線寬工藝甚至?xí)档托阅?，電路移?dòng)背面以及采用TSV后，可以很輕松將兩塊不同工藝、不同類型芯片貼合在一起，典型的用法就是索尼RX100IV上的新1英寸CIS。
?。ㄈ堑腎SOCELL傳感器，采用了stacked structure結(jié)構(gòu)）
與A7RII相似，RX100IV上的CIS并沒有出現(xiàn)索尼官網(wǎng)，也沒有其他廠商使用，又是一款特供索尼相機(jī)部門采用。該傳感器采用了stacked structure，相對(duì)IMX183增加了一倍ADC，將DRAM、ISP貼合在CIS的底部，用于緩存、讀取、處理圖像信息，實(shí)現(xiàn)了相機(jī)上前所未有的慢動(dòng)作視頻能力（1824×1026@250fps，1676×566@500fps，1136×384@1000fps）。
與Exmor R快速在智能手機(jī)普及一樣，Exmor RS迅速在智能手機(jī)上普及開來，讓智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)了4K視頻、1080P慢動(dòng)作視頻、PDAF一系列特性，iPhone 6s、Galaxy S7等手機(jī)甚至將多幀合成輸出作為拍攝照片默認(rèn)設(shè)置，手機(jī)與相機(jī)差距又進(jìn)一步縮小。幸運(yùn)的是，到了stacked structure時(shí)代，索尼比主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星、Omnivision有著不少優(yōu)勢(shì)，比如說濾鏡到光電二極管的厚度更薄、畫質(zhì)表現(xiàn)更好，在龐大的產(chǎn)能下有效分?jǐn)偭搜邪l(fā)成本，依然保持銷售額、占有率上的優(yōu)勢(shì)。
在NAB 2016上索尼發(fā)布了新款廣播級(jí)攝像機(jī)HDC-4800，該機(jī)器采用了一塊結(jié)合全局快門和stacked structure結(jié)構(gòu)的Super35 CIS，模擬部分采用90nm制造工藝，數(shù)字部分采用了65nm制造工藝，應(yīng)用了SLVE-EC總線（索尼在ISSCC 2011上發(fā)表），能以480fps速度輸出4K圖像。索尼敢于再次在大尺寸CIS采用全局快門其信心很可能源自于stacked structure結(jié)構(gòu)。
焦點(diǎn)之外
內(nèi)置ADC、BSI、stacked structure都是CIS常規(guī)套路，索尼能做到三星、Omnivision也能做到，索尼想要超越對(duì)手，自然要在其它方面下功夫，我們能一些零碎的信息中看到索尼這方面的努力。
IMX204是一塊索尼于ISSCC 2015披露的CIS，官網(wǎng)產(chǎn)品列表亦有其信息，但卻未有市售相機(jī)采用該傳感器。在指標(biāo)上IMX204并不突出，Exmor RS，1/1.7英寸，20MP像素，全像素讀取速度30fps，其真正過人之處在于其它方面——“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. ”
這是索尼首款提到雙ADC的CIS，雙ADC不是什么新鮮技術(shù)，我們甚至看過了大量采用雙ADC拍攝影視作品——采用Alexa拍攝的《唐頓莊園》、《權(quán)利游戲》、《美國(guó)隊(duì)長(zhǎng)》、《荒野獵人》、《地心引力》……Alexa是ARRI在2009年推出一款電影級(jí)攝像機(jī)，其搭載的ALEV III傳感器采用了雙ADC技術(shù)，也就是雙增益結(jié)構(gòu)。每個(gè)像素?fù)碛?個(gè)獨(dú)立的信號(hào)通道連接兩組不同的ADC，一個(gè)通道讀取14bit高增益信號(hào)，另一個(gè)通道讀取14bit低增益信號(hào)，最后通過處理器合成出一個(gè)16bit高寬度畫面。至Alexa發(fā)布至今其寬容度從未被一款量產(chǎn)相機(jī)、攝影機(jī)超越，它能在全感光度范圍下實(shí)現(xiàn)14stops寬容度，極限寬容度超過15stops。IMX204采用雙ADC很可能是為了提高寬容度，也有可能是進(jìn)一步提高讀取速度，以目前信息來看很遺憾是更傾向后者。
從布萊斯·拜爾注冊(cè)專利到今天整整是四十時(shí)間，拜爾陣列一直是CIS實(shí)現(xiàn)捕捉彩色圖像的主流方案，然而近年來出現(xiàn)了不少新濾鏡陣列以求取代老舊的拜爾陣列。索尼在NAB 2011上亮相了 F65電影級(jí)攝像機(jī)，其CIS為Super35格式，像素20MP，采用了全新的Q67——看起來像個(gè)傾斜了45°拜爾陣列，索尼表示Q67能實(shí)現(xiàn)更高效的插值采樣，只要20MP即可實(shí)現(xiàn)8K分辨率。不過Q67僅F65一家再無分店，F(xiàn)65市場(chǎng)占有率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后來F55。
在去年發(fā)布的華為P8手機(jī)上采用的IMX278是索尼對(duì)改進(jìn)拜爾陣列又一次改進(jìn)，在傳感器上采用了R、G、B、W四種濾鏡來捕捉彩色圖像。無獨(dú)有偶，IMX278僅在P8亮相，再無其它手機(jī)使用。從技術(shù)層面上說，用什么顏色濾鏡捕捉彩色圖像更多屬于ISP、屬于軟件算法問題，制造不同顏色濾鏡對(duì)CIS制造并無多大技術(shù)難度可言。
結(jié)語
經(jīng)過十年發(fā)展，索尼總算把主流傳感器技術(shù)應(yīng)用到大小尺寸CMOS圖像傳感器之上，沒有出現(xiàn)所謂的“黑科技”，其結(jié)果是多方面的。在移動(dòng)領(lǐng)域，索尼眼前不存在實(shí)力超強(qiáng)勁的對(duì)手，憑借著不錯(cuò)的性能、價(jià)格，能夠獲得很好的市場(chǎng)占有率，但利潤(rùn)率有限，現(xiàn)在面臨著巨大的挑戰(zhàn)——地震致CIS減產(chǎn)會(huì)造成三星等乘虛而入。
在相機(jī)層面，CIS銷售數(shù)量雖不如前，但瑞薩退出、東芝被收購(gòu)，即使佳能、松下尚在，已沒有一家日本CIS供應(yīng)商能正面挑戰(zhàn)索尼的地位了。對(duì)于抱團(tuán)只用日本傳感器、日本處理器的相機(jī)廠商來說，這絕對(duì)是一個(gè)噩夢(mèng)，索尼自從擁有了從上游影響相機(jī)市場(chǎng)的能力，大家只能含著淚繼續(xù)用IMX094，說不定現(xiàn)在尼康在后悔沒有把東芝半導(dǎo)體部門收入囊中。
而在高端領(lǐng)域，恐怕Teledyne Dalsa、ON Semiconductor、e2v還是對(duì)索尼報(bào)以呵呵一聲，索尼十年努力不過讓自己剛剛觸摸到門檻而已。