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CMOS的沉浮:从二侠之战到国产替代

发布于:2024-06-28 编辑:匿名 来源:网络

*转载文章不代表本站观点。

本文来自微信公众号《原创科技评论》(kechuangych),作者:李健华从某种意义上来说,当代手机的战争已经变成了拍照的战争。

从单摄到四摄,从百万像素到亿像素,在没有发生革命性变化的今天,夜间自拍、自动美颜的拍照效果成为各品牌差异化的主战场。

在这里,华为、小米等手机公司厮杀激烈,但从根本上来说,手机的拍照表现只是表面现象。

真正决定手机拍照性能好坏的是CMOS图像传感器芯片。

CMOS的沉浮:从二侠之战到国产替代

所谓图像传感器,可以将镜头捕捉到的光信号转换成机器可以读取的数字信号。

那就是把现实世界拉进芯片的世界。

一般来说,传感器面积越大,画布面积越大,可绘制的细节越多。

它的性能直接影响相机质量,相当于相机的“眼睛”。

这颗芯片体积不大,但却占了整个摄像头模组成本值的52%。

摄像头模块往往是手机中第三大成本来源,仅次于SoC芯片和屏幕。

目前,除了卷起苹果、华为、小米的索尼之外,三星和豪威(豪威)能够制作这块“画布”的,一共有三大玩家。

全球手机图像传感器的历史可以概括为索尼与豪威之战,三星坐收渔翁之利。

在此过程中,技术和产能的变化,将不同的企业纷纷推上王座。

在此期间,豪威也从一家美国公司转型为一家中国公司,带领中国CMOS开始了另一场从无到有、冲击王座的战斗。

战争:从20世纪70年代到90年代,全球图像传感器市场一度被日本垄断20多年。

当时,世界图像传感器产品主要是高像素、制造难度高的CCD(Charge Coupled Device Image Sensor)器件,其中以索尼和松下为主导。

日本凭借在CCD和存储领域的领先地位,一度占据全球半导体产量的一半以上。

全球排名前10位的半导体公司中,日本曾经拥有6家。

作为发明CCD的美国人,他自然不甘心在市场上被抛在后面。

在日本称霸的20多年里,美国企业一直在寻找一种替代技术,不仅能实现高质量的CCD成像,而且生产难度和成本足够低,足以让美国企业推翻传统CCD。

向下。

2006年,几名中国留学生在硅谷创办了一家叫豪威的公司,给美国带来了希望。

这家年轻的公司一直在尝试在图像传感器中使用传统的CMOS工艺(互补金属氧化物半导体图像传感器)来取代传统的CCD。

CCD和CMOS的区别 如果我们对两种工艺进行直观的比较的话,在当时的工艺条件下,CMOS的成像质量比CCD稍差一些,但是可以大大降低功耗和成本,并且更加出色。

适合当时新兴技术的使用。

消费电子市场。

当时,豪威参加了业界著名的Comdex电脑展,被众多台湾客户采购后,短短一个月就实现了量产[1]。

此后,CMOS技术逐渐成为图像传感器市场的主流。

无与伦比的豪威开始走向快车道,并于2008年在纳斯达克成功上市,2008年进军苹果手机,成为最早的苹果产业链企业。

但CMOS战争才刚刚开始。

在豪威在纳斯达克上市的同时,老师傅索尼终于放弃了专注于CCD,转向CMOS市场。

与其当年在CCD市场的霸主地位形成鲜明对比,转型十年后,直到2002年,索尼仅占据CMOS市场的7%,而新秀豪威的市场份额却高达50%。

谁也没想到变化会发生得如此之快:2016 年 10 月,苹果推出了 iPhone 4S。

发布会前,有媒体爆料豪威将不再“继续接手”苹果后置主摄,将由索尼取代。

当时,很多人都认为这只是不知从何而来的假新闻,但万万没想到,发布会当天,苹果用实际行动证明了消息的真实性。

对于最新的iPhone 4S,苹果将大幅减少豪威的供应份额,转而支持索尼成为苹果的主要CMOS供应商。

并不是苹果一直陷入混乱,最后放弃,而是面对千千万万人对苹果的暴涨需求,豪威的技术虽然领先,但产能却早已跟不上苹果的步伐。

这背后涉及到半导体生产的两种经典模式,IDM和Fabless。

1、索尼采用IDM模式:即从制造、设计、封装、测试全产业链搞定。

这种模式的优点是生产能力强,能够充分满足客户需求,缺点是企业资产重,投资成本巨大。

2、豪威采用Fabless模式:公司只负责设计开发,但生产和封测环节外包给第三方。

这种方式的优点是投资小,可以减少生产过程中巨大的资金和人工成本,并且可以集中资金进行技术升级,但缺点是存在产能风险。

拥有自己工厂的索尼毫不掩饰扩张的野心:2009年,索尼曾在熊本和长崎研发中心投入1亿日元用于CMOS的研发,以应对市场需求的激增。

另一方面,虽然豪威轻资产经营,但面对突然激增的需求,没有自己晶圆厂的豪威只能默默亏损,从第一供应滑落到第二供应。

2010年晚些时候,它开发出了比豪威更先进的堆叠式CMOS。

利用豪威技术追不上的机会,让工人加班生产,进一步巩固了苹果第一大CMOS供应商的地位。

至于豪威,虽然苹果iPhone 4S和iPhone 5的后置摄像头在2018年开始使用索尼CMOS,但为了维护人的尊严,前置摄像头仍然采用豪威的方案。

索尼正式形成技术和产能的双重逆袭后,从iPhone 6开始,所有iPhone机型,无论前置和后置摄像头,全部采用索尼CMOS。

豪威从此被彻底踢出了水果链。

年后,豪威和索尼的CMOS性能提升,产业模式导致索尼和豪威的结局不同。

年后,豪威的市场份额从第一跌至第三,仅为11%。

索尼全面接手了豪威此前的高端市场客户,市场份额达到40%以上。

在索尼和豪威厮杀的同时,三星凭借终端支持和最新的ISOCELL技术,从两大巨头手中夺走了20%的市场份额。

至此,两家强大的CMOS公司的格局已定,豪威似乎不会有什么事情发生,但故事还没有结束。

2008年,豪威在高端市场无法击败索尼,开始转战中国,涉足中低端市场。

2006年,他被中国半导体公司威尔收购。

按照败收购的剧情发展,豪威大概率会衰落,但为什么豪威现在不但没有死,而且还有赶上索尼的可能呢?这与CMOS图像传感器的性质有关。

CMOS是一种特殊的产品。

众所周知,CPU、GPU等传统数字芯片依赖先进的制造工艺,而射频、电源管理芯片等模拟芯片则更多依赖大师级工匠的经验积累。

但CMOS是一只“双头鹰”:它是模拟电路和数字电路的集成。

在模拟方面,它需要感知光线的细微变化,并将光信号转换为电信号。

但单个像素的尺寸为微米级,因此模拟芯片不需要特别先进的工艺。

但同时,CMOS还需要将电信号转换为手机SoC可以读取的数字信号。

这部分是由集成在CMOS上的数字芯片的后半部分实现的。

由于成像的关键在于上半年,而手机的最佳像素数长期停留在万像素,索尼不仅可以通过运营自己的工厂轻松应对,而且还积累了大量的技术基础。

行业经验,使其在成本和技术上都具有优势。

直到近年来,以三星为首的传感器厂商纷纷走上“小像素”技术路线,追求更小的像素尺寸和更高的像素可视性,并利用索尼的高性价比路线。

在这种趋势下,三星和豪威相继将像素缩小到0.8微米以下,使得同尺寸传感器的像素数量骤然增加。

过去传感器只能达到一万、一万像素,现在已经增加到一万,甚至一万个。

一亿像素让消费者有十足的满足感:如果单看参数,你买的手机像素比苹果高出好几倍。

(甚至索尼在不改变CMOS面积的情况下,也采用小像素来增加像素。

)这让索尼陷入了两难的境地。

得了吧,它一直在用旧设备练手艺。

为了制造小像素,它必须改用先进的工艺。

随着新设备的出现,我的很多经验都被抹去了。

如果不跟随他们,注重新性价比的手机市场就会开始被侵蚀。

至于豪威,他利用台积电的先进技术,快速进入对小像素需求巨大的次元市场,并开始打破索尼的铁墙。

一方面有技术路线的演进,另一方面CMOS乃至整个半导体产业的格局也在发生变化。

比如台积电的诞生,使得半导体行业的垂直专业分工成为可能。

索尼的IDM模式在10年前就有优势,但随着台积电的产能和工艺水平越来越先进,索尼的工厂已经开始追不上台积电了。

由此,台积电成为豪威和索尼发展的分水岭,可以分两个时间段来分析: 1、年期:CMOS主要争夺产能和设计技术。

现阶段,豪威采用了Fabless模式,将生产交给了台积电。

索尼采用了IDM模式。

当时索尼厂的CMOS代工水平比台积电还要强。

从设计上来说,索尼的CMOS产品也比豪威更先进,所以索尼在这段时间彻底碾压了豪威。

2、年期:现阶段,台积电不仅在晶圆产能和技术上位居行业第一,而且还拥有小像素所需的40-28nm CMOS工艺。

由于芯片需求旺盛,近两年索尼已经无法满足客户产能需求,自家55nm工艺性能也逐渐达到瓶颈,索尼自建工艺生产壁垒开始减弱。

因此,索尼在年底首次下高端芯片订单,补充台积电的产能,同时也得以引进台积电的28nm工艺。

也就是说,在CMOS制作工艺上,豪威和索尼开始站在同一起跑线上,这为豪威追赶索尼提供了可能。

而且,长期处于颓势的豪威在2018年也遇到了新的机遇:来自中国大陆的威尔集团今年以1亿资金收购了豪威。

韦尔收购豪威后,大力投入研发。

2011年和2015年分别实现了10K和10K像素技术的突破。

在技??术方面,它逐渐赶上了索尼的三星。

豪威有希望重返第一梯队。

但这一切都是有一个前提的。

豪威在国内一直做中低端产品,现在做高端产品还会有人用他吗?这是问题的关键。

很快,豪威迎来了“有人能用”的重大机遇。

2020年5月,美国政府将华为列入实体名单,并禁止英特尔、高通等公司向华为供货。

华为启动“备胎计划”,开始有意识培育国内企业,加速供应商引入国产替代。

日本调查机构 Fomalhaut Techno Solutions 9 月推出的华为 Mate30 手机拆解分析显示,在美国禁令后的四个月内,中国国产零部件的使用率从价值的 25% 大幅上升至 42% 。

零部件产量从11%下降到1%。

豪威接过了本轮国内换人的机会。

野村东方国际证券曾分析,2017年,韦尔股份(豪威)及百万像素产品被华为、OPPO大量采购。

同年,小米10至尊纪念版高端旗舰手机上市。

后置主摄像头搭载的是豪威的OV48C产品。

豪威开始从副摄像头回归到旗舰手机的主摄像头位置,并逐渐从备胎转向全时摄像头。

把握时代潮流的有格科威、胜邦股份。

Geko Micro主要专注于国内中低端CMOS市场。

2008年,随着国产手机的崛起,格科微作为小米、OPPO、vivo、传音的供应商迅速发展。

这波国产替代红利中,GC Micro也没有缺席。

例如小米10青春版的后置副摄像头就推出了GC GC02M1产品。

从数量上来说,格科威的出货量非常大,甚至超过了索尼,一个月能卖出1亿多片。

但由于单价太低,有时会在根据销售额计算市场的统计图表上被归入“其他”栏。

可见,在图像传感器领域,技术领先带来的高单价是压倒性的优势。

但格科威也试图做出改变。

2020年7月,格科微申请科创板上市,募集资金69.6亿元。

这笔资金主要用于两件事:建设12英寸集成电路项目,加强产能和开发更高端的CMOS产品。

很难说格科微能否从低端转向高端,但它已经做好了迎接这波国产替代机会的准备。

还有生产电源管理芯片的胜邦股份有限公司。

其LED驱动器、运算放大器、解锁电机驱动器等产品应用于移动电子、汽车和医疗领域。

不仅所有产品均为自主研发,其性能也可与国外同行相媲美。

国内替代方案还有空间。

很大。

正是因为华为引发了这波国产替代浪潮,很多国内企业才得以进入高端市场。

如果企业单纯依靠自身技术研发来追赶国外厂商,基本上很难进入高端市场。

国内电子企业的发展路径大多是从低端开始,然后向高端过渡。

只是企业想要拿出的这种增长路径的成功案例并不多。

实现从低端到高端的转变,依靠国内高端企业给予的时代机遇是一个相对可行的选择。

豪威、格科伟、胜邦都是例子。

但我们必须清醒地认识到,当机遇来临时,企业本身是否具备抓住机遇的核心能力?锻造还是需要自身的实力,这是一切发展的关键。

随着越来越多的中国品牌诞生,电子行业将发展壮大。

通过对提高基本技能的长期投入,国内企业可以更好地走上从分工链向价值链转型的道路。

完整的文字。

感谢您的耐心阅读。

CMOS的沉浮:从二侠之战到国产替代

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