[原创] 挡不住的CIS，小憩之后再发威
2021-05-13
14:00:16
来源: 半导体行业观察
CMOS图像传感器（CIS）经历了2019年的火爆之后，2020年的增长明显受到了抑制，主要原因自然是疫情，但进入2020年后半段，以及2021开年以来，全球CIS市场快速升温，呈现出2019年的发展势头，甚至有过之。
本周，IC Insights发布统计和预测报告，数据显示，2021年，全球CIS营收将恢复强劲的高增长势头，涨幅达到19％，至228亿美元，这将是自2010年以来全球销售额连续第十次创历史新高。
2020年第二季度，疫情肆虐全球，以CIS龙头索尼为代表的相关厂商业务出现下滑，这主要是由全球智能手机出货量下降导致的。但下半年出现反转，到2020年底，索尼CIS的销售额微幅增长0.3％。自从2006年以来，2020年是索尼CIS增长最糟糕的一年。
随着全球经济的复苏，IC Insights认为，到2021年，CIS市场的复合年增长率（CAGR）将达到12.0％，到2025年，其市场规模将达到336亿美元，预计总出货量将以14.9％的复合年增长率增长。汽车将成为未来五年CIS增长最快的应用领域，到2025年，车用CIS的复合年增长率将达到33.8％，至51亿美元。
辉煌的2019
手机摄像头数量的增加，使得CIS在2019年出现了爆发式的增长，短时间内，产能难以跟上应用需求，使得CIS成为2019年最为炙手可热的芯片品类。与此同时，汽车和安防市场发展迅速，这两个应用领域对于CIS的需求量也非常可观。
作为全球CIS的霸主，在火爆的行情下，索尼自家的产能已经应接不暇，于是，该公司决定将旗下高端CIS交由台积电代工，这是索尼首度外放高端芯片订单。为了这笔大单，台积电专门订购了设备，并做好相关生产验证作业。
索尼放出的CIS订单，是在台积电南科14a厂导入40nm制程生产，初期月产能2万片，并于2021年第1季度量产，后续很可能会扩大产能，索尼更高端的CIS芯片有望导入台积电的28nm制程。
除了交由台积电代工之外，索尼也在日本国内积极扩产，该公司计划在3年内投资7000亿日元，用于扩建新厂房。
三星是全球第二大CIS厂商，2018年12月，该公司设备解决方案部门通过重组，在系统LSI部门下建立了一个“传感器业务团队”，负责LSI事业部内的CIS产品规划和销售，工艺研发由设备解决方案部门的代工部门完成。
近几年，三星一直在CIS技术上寻求突破，并于2018年6月推出了ISOCELL Plus技术。在推出新技术的同时，三星也在提升CIS生产能力，2017年，三星就开始扩充12英寸CIS产能，并于2017年开始改造12英寸DRAM产线FAB 11，用于生产CIS，2018年底完成改造；同时对FAB 13进行改造，FAB 11和FAB 13的原有产能为每月7万片。
三星原本拥有1条CIS芯片专用产线，名称为S4-Line，当时，该公司产能约为4.5万片/月，随着FAB 11和FAB 13线转为CIS专用线，三星的产能将扩充到12万片/月。
转折
进入2020年以后，突如其来的疫情对全球半导体业造成很大冲击，CIS自然也不例外。进入3月，情况愈加恶化，在这样的背景下，索尼发表声明，称关闭了部分工厂和办公室，主要在欧洲和美国。索尼还关闭了其在马来西亚（吉隆坡和槟城）的两座工厂，以及南威尔士的工厂。
对此，索尼公司表示：CIS的生产没有受到实质影响，包括对原材料采购的影响。然而，索尼该业务的主要客户是智能手机制造商，他们主要依靠中国的供应链，尽管当时销售逐渐恢复到了正常水平，但智能手机市场的放缓依然影响了该业务的营收。
在全球疫情难以控制的情况下，即便是最为火爆的CIS市场，也出现了难以预料的隐忧。而实际情况就像前文IC Insights统计的那样，2020年，全球CIS市场增长率大幅下降。
反弹伴随着分化
进入2021年以后，全球第二大CIS厂商三星将其CIS的价格提升了40%，而其他CIS供应商的价格也提升了20%左右（这里主要涉及的是应用在中低端手机的500万和800万像素CIS）。显然，CIS市场反弹明显。
与此同时，CIS市场也出现了分化的情况，那就是在中高端市场。据日经新闻报道，2021年1-3月，用于智能手机的1300万像素CMOS图像传感器批发价格为每个1.55美元左右、较前一季度（2020年10-12月）下滑3%，连续第3季度呈现下滑态势。
在全球范围内，中高端CIS市场主要掌握在索尼手中，无论是其自家工厂生产的产品，还是交由台积电代工的，都是以中高端CIS为主。
据悉，在2020年10-12月，索尼的CIS产量为11.7万片(以12吋硅晶圆换算)，高于原先预估的11万片，预估2021年1-3月的产量将增至12.7万片。该公司自家工厂产能全开。
2月初，索尼在其法说会上表示，因为该公司大客户华为受到美国制裁，索尼在2020年9月停止了供货CIS给华为，不过之后已于2020年11月下旬重启部分产品的出货。但这一制裁事件对索尼的中高端CIS出货产生了较大影响，加上该公司在过去一年多时间里扩充了产能，此消彼长，在2020年末到2021年初的这段时间里，全球中高端CIS出货开始出现供应量上涨，但市场需求量较之前出现萎缩的现象。这就导致了前文所说的中高端CIS连续第3季度呈现下滑的态势。
据悉，在2020年第四季度，索尼的CIS销售额同比下滑了13%，该公司将2021年度（2020年4月-2021年3月）的CIS销售额目标定为8700亿日元(上年度为9302亿日元)。可见，索尼的营收同比在下降，之所以如此，除了中高端产品销售下降之外，最大的竞争对手三星对其市场份额的蚕食愈加猛烈。
在强劲发展势头和全球缺货的大背景下，三星一直在扩产，进一步扩充CIS产能成为三星争夺这一市场的最直接方法，按照计划，该公司将在2021年把一座DRAM厂房转换成CIS产线，从而实现增产20%的目标。三星原计划2021年新增内存产能4万片晶圆/月，现在决定将产能投资减少到3万片晶圆/月，这部分产能将转向CIS芯片。
技术革新
CIS产能上量的同时，各大厂商在技术创新方面也在与时俱进，特别是像索尼、三星和安森美这样的头部厂商，必须依靠扩充产能和技术创新两条腿走路，才能在市场竞争中立于不败之地。
AI在手机中的应用越来越多，大都是与AP（应用处理器）整合在一起的协处理器。而面对安防和工业应用，索尼将CIS和AI处理单元整合在了一起，创新力十足。
索尼的这款芯片就是IMX500（未封装版本）和IMX501（采用LGA封装），它们不仅包括支持4K分辨率视频的1230万像素CMOS，还包括可以进行机器学习工作的专用AI处理器。
从芯片结构上来看，IMX500的像素芯片堆叠在逻辑芯片的顶部，而逻辑芯片不仅执行常规的图像传感器操作，还具有用于图像信号处理的ISP和专用于AI信号处理的DSP，并且还有专门供AI模型使用的内存。这种配置消除了对高性能处理器和外部存储器的需求。
To B应用的CIS设备多数都要与数据中心或云联网，而终端的数据量与日俱增，这就带来了一个问题，即数据和指令在终端和云之间的频繁传输，会带来延迟和信息的安全性问题，而且随着应用的逐步落地和数据量的暴增，这种问题愈加突出。而为了应对这一挑战，一些传统网络处理器、网络存储和通信芯片提供商，会提供用于边缘侧计算的协处理器，这样就可以缩短数据通信距离和延时，不过，由于是分立的，这些问题并没有彻底解决。而索尼的方案在摄像头内集成了AI协处理功能，意图彻底解决与云的通信和延时问题。
该方案处理信息的过程是：像素芯片获取的信号通过传感器上的AI处理，传感器输出元数据（属于图像数据的语义信息）而不是图像信息，从而减少了数据量并解决了隐私问题。
在构造和工艺方面，索尼采用了堆叠式CMOS图像传感器技术，并使用Cu-Cu连接和Prophesee的Metavision Event技术来实现小像素尺寸和出色的低光性能。
当堆叠背照式CMOS图像传感器（上部芯片）和逻辑电路（下部芯片）时，Cu-Cu连接技术通过连接的Cu（铜）焊盘提供电连续性。与硅通孔（TSV）布线相比，该方法通过在像素区域周围穿透电极来实现连接，与TSV相比，该方法在设计上具有更大的自由度，提高了生产率，允许更紧凑的尺寸并提高了性能。
在这种堆叠配置下，上下两个单独芯片的每个像素都通过Cu-Cu进行电连接；另外，该传感器采用了40nm逻辑工艺。
将AI融入CIS的想法不止索尼一家有，市场上主要的几家CIS厂商，如三星、豪威、安森美、SK海力士和意法半导体等，也有正在这方面进行研发的。
以安森美为例，该公司在全球CIS市场排在前五，但就汽车应用来说，安森美处于领头羊位置。
安森美开发了一个和AI有关的深度感知应用，具体来说就是门禁闸口的人脸识别与防伪。该用例中，用相机同时提供彩色图像和深度图像，2D相片识别后出来效果没有深度数据，是平面的。所以，该方案通过CNN（卷积神经网络）深度学习提高了感知的可靠性。
不过，总体来看，安森美的图像感知+AI方案还处于开发和尝试阶段，应用普及还需要一段时间。
而其它几家也有进行CIS+AI应用研究的，不过现阶段的公开信息较少。
结语
全球CIS市场在2019年高涨，在2020年出现了短期的低迷，进入2021年，该市场又恢复了往日的生机，无论是需求、产能，还是技术创新，都备受关注。CIS的未来更加值得期待。
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