CMOS圖像傳感器(CIS)經(jīng)歷了2019年的火爆之后,2020年的增長(zhǎng)明顯受到了抑制,主要原因自然是疫情,但進(jìn)入2020年后半段,以及2021開年以來,全球CIS市場(chǎng)快速升溫,呈現(xiàn)出2019年的發(fā)展勢(shì)頭,甚至有過之。
本周,IC Insights發(fā)布統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)報(bào)告,數(shù)據(jù)顯示,2021年,全球CIS營(yíng)收將恢復(fù)強(qiáng)勁的高增長(zhǎng)勢(shì)頭,漲幅達(dá)到19%,至228億美元,這將是自2010年以來全球銷售額連續(xù)第十次創(chuàng)歷史新高。
2020年第二季度,疫情肆虐全球,以CIS龍頭索尼為代表的相關(guān)廠商業(yè)務(wù)出現(xiàn)下滑,這主要是由全球智能手機(jī)出貨量下降導(dǎo)致的。但下半年出現(xiàn)反轉(zhuǎn),到2020年底,索尼CIS的銷售額微幅增長(zhǎng)0.3%。自從2006年以來,2020年是索尼CIS增長(zhǎng)最糟糕的一年。
隨著全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇,IC Insights認(rèn)為,到2021年,CIS市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)到12.0%,到2025年,其市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到336億美元,預(yù)計(jì)總出貨量將以14.9%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。汽車將成為未來五年CIS增長(zhǎng)最快的應(yīng)用領(lǐng)域,到2025年,車用CIS的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到33.8%,至51億美元。
輝煌的2019
手機(jī)攝像頭數(shù)量的增加,使得CIS在2019年出現(xiàn)了爆發(fā)式的增長(zhǎng),短時(shí)間內(nèi),產(chǎn)能難以跟上應(yīng)用需求,使得CIS成為2019年最為炙手可熱的芯片品類。與此同時(shí),汽車和安防市場(chǎng)發(fā)展迅速,這兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ贑IS的需求量也非常可觀。
作為全球CIS的霸主,在火爆的行情下,索尼自家的產(chǎn)能已經(jīng)應(yīng)接不暇,于是,該公司決定將旗下高端CIS交由臺(tái)積電代工,這是索尼首度外放高端芯片訂單。為了這筆大單,臺(tái)積電專門訂購了設(shè)備,并做好相關(guān)生產(chǎn)驗(yàn)證作業(yè)。
索尼放出的CIS訂單,是在臺(tái)積電南科14a廠導(dǎo)入40nm制程生產(chǎn),初期月產(chǎn)能2萬片,并于2021年第1季度量產(chǎn),后續(xù)很可能會(huì)擴(kuò)大產(chǎn)能,索尼更高端的CIS芯片有望導(dǎo)入臺(tái)積電的28nm制程。
除了交由臺(tái)積電代工之外,索尼也在日本國內(nèi)積極擴(kuò)產(chǎn),該公司計(jì)劃在3年內(nèi)投資7000億日元,用于擴(kuò)建新廠房。
三星是全球第二大CIS廠商,2018年12月,該公司設(shè)備解決方案部門通過重組,在系統(tǒng)LSI部門下建立了一個(gè)“傳感器業(yè)務(wù)團(tuán)隊(duì)”,負(fù)責(zé)LSI事業(yè)部?jī)?nèi)的CIS產(chǎn)品規(guī)劃和銷售,工藝研發(fā)由設(shè)備解決方案部門的代工部門完成。
近幾年,三星一直在CIS技術(shù)上尋求突破,并于2018年6月推出了ISOCELL Plus技術(shù)。在推出新技術(shù)的同時(shí),三星也在提升CIS生產(chǎn)能力,2017年,三星就開始擴(kuò)充12英寸CIS產(chǎn)能,并于2017年開始改造12英寸DRAM產(chǎn)線FAB 11,用于生產(chǎn)CIS,2018年底完成改造;同時(shí)對(duì)FAB 13進(jìn)行改造,F(xiàn)AB 11和FAB 13的原有產(chǎn)能為每月7萬片。
三星原本擁有1條CIS芯片專用產(chǎn)線,名稱為S4-Line,當(dāng)時(shí),該公司產(chǎn)能約為4.5萬片/月,隨著FAB 11和FAB 13線轉(zhuǎn)為CIS專用線,三星的產(chǎn)能將擴(kuò)充到12萬片/月。
轉(zhuǎn)折
進(jìn)入2020年以后,突如其來的疫情對(duì)全球半導(dǎo)體業(yè)造成很大沖擊,CIS自然也不例外。進(jìn)入3月,情況愈加惡化,在這樣的背景下,索尼發(fā)表聲明,稱關(guān)閉了部分工廠和辦公室,主要在歐洲和美國。索尼還關(guān)閉了其在馬來西亞(吉隆坡和檳城)的兩座工廠,以及南威爾士的工廠。
對(duì)此,索尼公司表示:CIS的生產(chǎn)沒有受到實(shí)質(zhì)影響,包括對(duì)原材料采購的影響。然而,索尼該業(yè)務(wù)的主要客戶是智能手機(jī)制造商,他們主要依靠中國的供應(yīng)鏈,盡管當(dāng)時(shí)銷售逐漸恢復(fù)到了正常水平,但智能手機(jī)市場(chǎng)的放緩依然影響了該業(yè)務(wù)的營(yíng)收。
在全球疫情難以控制的情況下,即便是最為火爆的CIS市場(chǎng),也出現(xiàn)了難以預(yù)料的隱憂。而實(shí)際情況就像前文IC Insights統(tǒng)計(jì)的那樣,2020年,全球CIS市場(chǎng)增長(zhǎng)率大幅下降。
反彈伴隨著分化
進(jìn)入2021年以后,全球第二大CIS廠商三星將其CIS的價(jià)格提升了40%,而其他CIS供應(yīng)商的價(jià)格也提升了20%左右(這里主要涉及的是應(yīng)用在中低端手機(jī)的500萬和800萬像素CIS)。顯然,CIS市場(chǎng)反彈明顯。
與此同時(shí),CIS市場(chǎng)也出現(xiàn)了分化的情況,那就是在中高端市場(chǎng)。據(jù)日經(jīng)新聞報(bào)道,2021年1-3月,用于智能手機(jī)的1300萬像素CMOS圖像傳感器批發(fā)價(jià)格為每個(gè)1.55美元左右、較前一季度(2020年10-12月)下滑3%,連續(xù)第3季度呈現(xiàn)下滑態(tài)勢(shì)。
在全球范圍內(nèi),中高端CIS市場(chǎng)主要掌握在索尼手中,無論是其自家工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品,還是交由臺(tái)積電代工的,都是以中高端CIS為主。
據(jù)悉,在2020年10-12月,索尼的CIS產(chǎn)量為11.7萬片(以12吋硅晶圓換算),高于原先預(yù)估的11萬片,預(yù)估2021年1-3月的產(chǎn)量將增至12.7萬片。該公司自家工廠產(chǎn)能全開。
2月初,索尼在其法說會(huì)上表示,因?yàn)樵摴敬罂蛻羧A為受到美國制裁,索尼在2020年9月停止了供貨CIS給華為,不過之后已于2020年11月下旬重啟部分產(chǎn)品的出貨。但這一制裁事件對(duì)索尼的中高端CIS出貨產(chǎn)生了較大影響,加上該公司在過去一年多時(shí)間里擴(kuò)充了產(chǎn)能,此消彼長(zhǎng),在2020年末到2021年初的這段時(shí)間里,全球中高端CIS出貨開始出現(xiàn)供應(yīng)量上漲,但市場(chǎng)需求量較之前出現(xiàn)萎縮的現(xiàn)象。這就導(dǎo)致了前文所說的中高端CIS連續(xù)第3季度呈現(xiàn)下滑的態(tài)勢(shì)。
據(jù)悉,在2020年第四季度,索尼的CIS銷售額同比下滑了13%,該公司將2021年度(2020年4月-2021年3月)的CIS銷售額目標(biāo)定為8700億日元(上年度為9302億日元)。可見,索尼的營(yíng)收同比在下降,之所以如此,除了中高端產(chǎn)品銷售下降之外,最大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星對(duì)其市場(chǎng)份額的蠶食愈加猛烈。
在強(qiáng)勁發(fā)展勢(shì)頭和全球缺貨的大背景下,三星一直在擴(kuò)產(chǎn),進(jìn)一步擴(kuò)充CIS產(chǎn)能成為三星爭(zhēng)奪這一市場(chǎng)的最直接方法,按照計(jì)劃,該公司將在2021年把一座DRAM廠房轉(zhuǎn)換成CIS產(chǎn)線,從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)20%的目標(biāo)。三星原計(jì)劃2021年新增內(nèi)存產(chǎn)能4萬片晶圓/月,現(xiàn)在決定將產(chǎn)能投資減少到3萬片晶圓/月,這部分產(chǎn)能將轉(zhuǎn)向CIS芯片。
技術(shù)革新
CIS產(chǎn)能上量的同時(shí),各大廠商在技術(shù)創(chuàng)新方面也在與時(shí)俱進(jìn),特別是像索尼、三星和安森美這樣的頭部廠商,必須依靠擴(kuò)充產(chǎn)能和技術(shù)創(chuàng)新兩條腿走路,才能在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。
AI在手機(jī)中的應(yīng)用越來越多,大都是與AP(應(yīng)用處理器)整合在一起的協(xié)處理器。而面對(duì)安防和工業(yè)應(yīng)用,索尼將CIS和AI處理單元整合在了一起,創(chuàng)新力十足。
索尼的這款芯片就是IMX500(未封裝版本)和IMX501(采用LGA封裝),它們不僅包括支持4K分辨率視頻的1230萬像素CMOS,還包括可以進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)工作的專用AI處理器。
從芯片結(jié)構(gòu)上來看,IMX500的像素芯片堆疊在邏輯芯片的頂部,而邏輯芯片不僅執(zhí)行常規(guī)的圖像傳感器操作,還具有用于圖像信號(hào)處理的ISP和專用于AI信號(hào)處理的DSP,并且還有專門供AI模型使用的內(nèi)存。這種配置消除了對(duì)高性能處理器和外部存儲(chǔ)器的需求。
To B應(yīng)用的CIS設(shè)備多數(shù)都要與數(shù)據(jù)中心或云聯(lián)網(wǎng),而終端的數(shù)據(jù)量與日俱增,這就帶來了一個(gè)問題,即數(shù)據(jù)和指令在終端和云之間的頻繁傳輸,會(huì)帶來延遲和信息的安全性問題,而且隨著應(yīng)用的逐步落地和數(shù)據(jù)量的暴增,這種問題愈加突出。
而為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),一些傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)處理器、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)和通信芯片提供商,會(huì)提供用于邊緣側(cè)計(jì)算的協(xié)處理器,這樣就可以縮短數(shù)據(jù)通信距離和延時(shí),不過,由于是分立的,這些問題并沒有徹底解決。而索尼的方案在攝像頭內(nèi)集成了AI協(xié)處理功能,意圖徹底解決與云的通信和延時(shí)問題。
該方案處理信息的過程是:像素芯片獲取的信號(hào)通過傳感器上的AI處理,傳感器輸出元數(shù)據(jù)(屬于圖像數(shù)據(jù)的語義信息)而不是圖像信息,從而減少了數(shù)據(jù)量并解決了隱私問題。
在構(gòu)造和工藝方面,索尼采用了堆疊式CMOS圖像傳感器技術(shù),并使用Cu-Cu連接和Prophesee的Metavision Event技術(shù)來實(shí)現(xiàn)小像素尺寸和出色的低光性能。
當(dāng)堆疊背照式CMOS圖像傳感器(上部芯片)和邏輯電路(下部芯片)時(shí),Cu-Cu連接技術(shù)通過連接的Cu(銅)焊盤提供電連續(xù)性。與硅通孔(TSV)布線相比,該方法通過在像素區(qū)域周圍穿透電極來實(shí)現(xiàn)連接,與TSV相比,該方法在設(shè)計(jì)上具有更大的自由度,提高了生產(chǎn)率,允許更緊湊的尺寸并提高了性能。
在這種堆疊配置下,上下兩個(gè)單獨(dú)芯片的每個(gè)像素都通過Cu-Cu進(jìn)行電連接;另外,該傳感器采用了40nm邏輯工藝。
將AI融入CIS的想法不止索尼一家有,市場(chǎng)上主要的幾家CIS廠商,如三星、豪威、安森美、SK海力士和意法半導(dǎo)體等,也有正在這方面進(jìn)行研發(fā)的。
以安森美為例,該公司在全球CIS市場(chǎng)排在前五,但就汽車應(yīng)用來說,安森美處于領(lǐng)頭羊位置。
安森美開發(fā)了一個(gè)和AI有關(guān)的深度感知應(yīng)用,具體來說就是門禁閘口的人臉識(shí)別與防偽。該用例中,用相機(jī)同時(shí)提供彩色圖像和深度圖像,2D相片識(shí)別后出來效果沒有深度數(shù)據(jù),是平面的。所以,該方案通過CNN(卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))深度學(xué)習(xí)提高了感知的可靠性。
不過,總體來看,安森美的圖像感知+AI方案還處于開發(fā)和嘗試階段,應(yīng)用普及還需要一段時(shí)間。
而其它幾家也有進(jìn)行CIS+AI應(yīng)用研究的,不過現(xiàn)階段的公開信息較少。
結(jié)語
全球CIS市場(chǎng)在2019年高漲,在2020年出現(xiàn)了短期的低迷,進(jìn)入2021年,該市場(chǎng)又恢復(fù)了往日的生機(jī),無論是需求、產(chǎn)能,還是技術(shù)創(chuàng)新,都備受關(guān)注。CIS的未來更加值得期待。
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原文標(biāo)題:擋不住的CIS,小憩之后再發(fā)威
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