手机上的CMOS其实有六代?我们来帮大家捋清楚

2019-10-01 17:34:35 2点赞 3收藏 0评论

差不多一个月前,我们三易生活曾经撰文将某款旗舰拍照手机批判了一番,那个时候它以全球最先进的CMOS(影像传感器),却在DXO评测中拿了个前三十名都不到的低分。我们当时那篇文章的本意是想告诉大家,智能手机的拍照不能全看硬件配置,算法及调校也同样是非常重要的因素。

手机上的CMOS其实有六代?我们来帮大家捋清楚

但是令我们没有想到的是,此文章发出后,我们受到了一部分网友的批评和质疑,他们认为我们在乱讲。其理由则是我们在文中曾有这样的表述:

手机上的CMOS其实有六代?我们来帮大家捋清楚

原文截图

是的,我们提到了索尼IMX445与三星SAK2L4分属于“第六代”和“第四代”CMOS架构,这的确造成了一部分读者的困惑。因为在他们的认知中,以索尼为代表的智能手机CMOS至今为止应该只经历过三代变迁,那么这第六代的说法又从何而来呢?

  • 首先,这是个市场宣传所引发的误解

要弄明白这个问题,首先我们要知道,大家一般认为的“三代”影像传感器具体指的是哪三代。答案很简单,无非就是索尼的Exmor、Exmor R和Exmor RS,也就是前照式、背照式和堆叠式三大“驰名商标”。无论是从诞生时间还是从技术上来说,这三种CMOS设计的确存在着前后更迭关系,称之为三个代次没有什么毛病。

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但是以上的看法存在一个很大的局限性,那就是只以索尼家的商标作为CMOS代次区分的依据,却并没有深究这许多年以来整个CMOS影像传感器行业,真正在技术上的改进和变迁节点。说得更直白一点,就是索尼用商标把CMOS分了三代,但CMOS的技术真的就只能按照索尼的分类法吗?就算是索尼,是不是也存在着实际上技术已经换代,却并没有对外宣扬的情况呢?

没错,问题就出在这里了。事实上除了索尼的分类法之外,在CMOS行业,还存在着另外一种根据传感器制造工艺和结构来进行代数划分的,更为专业的标准。而理解了它,你实际上也就理解了CMOS影像传感器这个在半导体行业中,非常特别的存在。

  • 其次,CMOS的结构让制造成为难题

CMOS影像传感器(简称CIS,即CMOS Image Sensor)的工作原理是什么?在此前科普三星GW1的“双转换增益电路”时,我们就曾经为大家进行过相关的解释。简单来说,当光线从镜头射入传感器上的微透镜之后,存在着光信号-电信号、电信号-数字信号的两次转换过程。其中从光到电的转换由感光单元、电容(电荷阱)、模拟功放电路三大部分组成;而电信号到数字信号的转换则是ADC(模数转换器)的“专长”。

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这意味着,对于任何一个传统的、典型的CMOS影像传感器来说,它实际上都是由“模拟电路”和“数字电路”两部分区块组成的。其中感光部分是模拟电路,而电信号转数字信号(包括某些带有缓存的CMOS之后对图像数字信息的存储操作)则是在数字电路上进行。但如此一来,问题就出现了。

初中物理的常识告诉我们,模拟电路中电缆越粗,则电阻越小,线损越少。这意味者CMOS的模拟电路反而不宜使用过于“纤细”的制程——比较老的制程,电阻反而会更小,阱容也可以做的更大。可与此同时,半导体行业的共识却是,数字电路制程越先进越好,因为运行频率(计算性能)和能效比都可以随之大幅提高。很显然这意味着对于CMOS来说,自身构造的“前半截”和“后半截”对于制造工艺的要求,实际上是完全相反的。

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那么,如何解决这个制造上的难题呢?最早面临这一难题的佳能,选择的办法是放弃数字部分的制程去迁就模拟部分的画质,所以从此之后“佳能CMOS制程烂”就成为了业内知名的梗。但是很显然,其他的CMOS厂商脑子没这么死板,而且伴随着背照式设计的出现,CMOS影像传感器从“上”到“下”,从感光到模拟电路到模数转换的分层结构变得前所未有的清晰,而这也就终于给一种全新的CMOS制造方式带来了机会。

  • 一块CMOS多个制程?六代划分就是这么来的

是的,这就是现代CMOS影像传感器的多制程制造方式。通俗来说,就是把过去只用一块晶圆来制造CMOS,把模拟和数字电路“刻在一起”的方式,改成了用多块晶圆,多种制程分别制造不同部位,事后再“拼起来”的方式。如此一来,对于不需要(也不能)用先进工艺制造的模拟部分,可以继续使用老旧的65nm、90nm甚至130nm制造,能够带来更好的模拟信号精准度。而对于模数转换器、缓存等部件,则可以放开手脚以最新的1x nm工艺制造,让数字信号转换和处理速度提示数十倍之多。

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如此一来,我们在文章开头处所提到的,基于制造工艺和结构来对CMOS影像传感器划分代数的标准就终于“上线”了。正如大家在图中所看到的那样,最初的背照式CMOS被认定为第一代产品,之后就是采用两种不同制程硅晶圆堆叠,彼此之间采用TSV(硅穿孔)工艺连接的第二代结构,在之后则是同样两层堆叠,但连接工艺从TSV改成DBI(硅片直接键合,相当于用热压使得硅片上的铜导线部分直接“粘”在一起)的第三代。之后,是加入了DRAM缓存结构和双增益转换机构,硅片堆叠层数变成三层,但连接方式改回硅穿孔的第四代;然后是从第三代基础上发展而来,依然只有两层晶圆,但连接方式进一步进化为每个像素之间精密键合堆叠的第五代。最后,则是这张图上未能画出的,同时使用了集成DRAM、双模拟转换增益、三层硅片以及内部键合互联的,最新最强的第六代。

手机上的CMOS其实有六代?我们来帮大家捋清楚

看懂了上面这段文字,让我们回想一下文章开头那曾经引起争议和不解的,我们对于三星SAK2L4和索尼IMX445架构的介绍文字。其中,三星SAK2L4属于第四代CMOS结构,这意味着它内置了双增益转换、具备能实现非插帧960FPS超高速摄像的片上DRAM缓存,因此必须采用三层不同制程的硅晶圆。但在这三层硅晶圆的互联方式上,三星SAK2L4采用的是TSV(硅穿孔)工艺,这意味着它的体积会比较大,电路延迟和干扰也会(比IMX445)高一点。

相比之下,索尼的IMX445在影像和功能部分都与SAK2L4一致,但区别就在于它的三层硅晶圆采用了更加黑科技的键合连接(原子力或分子力直接结合),这可以进一步节约CMOS面积,同时缩短电路长度,降低微观层面上的通信延迟和干扰。因此理论上,IMX445的画质和工艺都达到了目前CMOS的顶级水准。我们此前对于它和SAK2L4的工艺代数的说明并无错误,只是解释得不够充分,以至于让习惯了商业宣传的部分读者产生了误解。

当然,把事情说清楚其实理解起来也就毫无困难了。而且这也再一次提醒了我们两个事实:一是并非CMOS越先进的智能手机产品拍照就一定越好,二是对于索尼的CMOS来说,产品的性能指标、技术先进程度和它们的名称,其实并没有什么必然的联系。

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