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(kāi)年以來(lái)，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(guò)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(lái)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(lái)，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(lái)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(mén)訂購(gòu)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(wàn)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(guó)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(mén)通過(guò)重組，在系統(tǒng)LSI部門(mén)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(mén)的代工部門(mén)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(kāi)始擴(kuò)充12英寸CIS產(chǎn)能，并于2017年開(kāi)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(wàn)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(wàn)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(wàn)片/月。

轉(zhuǎn)折

進(jìn)入2020年以后，突如其來(lái)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(guó)。索尼還關(guān)閉了其在馬來(lái)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(méi)有受到實(shí)質(zhì)影響，包括對(duì)原材料采購(gòu)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(guó)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(wàn)和800萬(wàn)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(wàn)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(wú)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(wàn)片（以12吋硅晶圓換算），高于原先預(yù)估的11萬(wàn)片，預(yù)估2021年1-3月的產(chǎn)量將增至12.7萬(wàn)片。該公司自家工廠產(chǎn)能全開(kāi)。

2月初，索尼在其法說(shuō)會(huì)上表示，因?yàn)樵摴敬罂蛻羧A為受到美國(guó)制裁，索尼在2020年9月停止了供貨CIS給華為，不過(guò)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(guò)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(kāi)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(shuō)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）?？梢?jiàn)，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(wàn)片晶圓/月，現(xiàn)在決定將產(chǎn)能投資減少到3萬(wàn)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(lái)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(wàn)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(lái)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(mén)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(lái)了一個(gè)問(wèn)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(lái)延遲和信息的安全性問(wèn)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(wèn)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(guò)，由于是分立的，這些問(wèn)題并沒(méi)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(wèn)題。

該方案處理信息的過(guò)程是：像素芯片獲取的信號(hào)通過(guò)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(yǔ)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(wèn)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(lái)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(guò)連接的Cu（銅）焊盤(pán)提供電連續(xù)性。與硅通孔（TSV）布線相比，該方法通過(guò)在像素區(qū)域周圍穿透電極來(lái)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(guò)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(lái)說(shuō)，安森美處于領(lǐng)頭羊位置。

安森美開(kāi)發(fā)了一個(gè)和AI有關(guān)的深度感知應(yīng)用，具體來(lái)說(shuō)就是門(mén)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(lái)效果沒(méi)有深度數(shù)據(jù)，是平面的。所以，該方案通過(guò)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(guò)，總體來(lái)看，安森美的圖像感知+AI方案還處于開(kāi)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(guò)現(xiàn)階段的公開(kāi)信息較少。

結(jié)語(yǔ)

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(wú)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(lái)更加值得期待。

編輯：jq