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CMOS浮沉:从双雄缠斗到国产替代

发布人:远川科技评论时间:2021-08-12来源:工程师

某种意义上当代手机的战争,已经变成了拍照的战争。

从单摄到4摄,从800万像素到1亿像素,在没有革命性变化的今天,夜里自拍还能自动美颜的拍照效果成了各个品牌差异化的主战场。

这边,华为、小米一众手机企业打得热火朝天,但根本上,手机拍照性能的好坏,手机厂商跑分与宣传只是表面功夫,真正决定了一部手机拍照功能好坏的,是一个叫做CMOS图像传感器的芯片。

所谓图像传感器,可以将镜头捕捉的光信号,转换成机器可以读懂的数字信号。也就是把真实的世界,画进芯片的世界。一般来说,传感器面积越大,画布面积就越大,能绘画的细节就越多,其性能的好坏直接影响摄像质量,相当摄像头的“眼睛”。

这块芯片体积不大,却占整个摄像头模组52%的成本价值,而摄像头模组,又往往是一个手机之中,仅次于SoC芯片与屏幕之外,第三大成本来源。

目前,能生产这块“画布”的除了让苹果、华为、小米卷起来的索尼,还有三星和豪威(OmniVision),共计三大玩家。

而全球手机图像传感器的历史,则可以概括为索尼与豪威的缠斗,三星坐收渔翁之利的总结。

过程当中,技术的更迭与产能的变化,相继将不同企业相继推上王座;豪威也在这一期间,从美国企业成为中国公司,带领中国的CMOS打响了另一场从无到有,冲击王座的战争:

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上世纪70-90年代,全球的图像传感器市场一度被日本垄断长达20余年时间。

那一时期,全球的图像传感器产品主要以高像素、高生产制造难度的CCD(电荷耦合器件图像传感器)器件为主流,索尼与松下正是其中佼佼者。

而凭借着在CCD与存储领域的领先地位,日本也一度占据了全球超过半数的半导体生产,全球的前10大半导体公司中,日本也一度独占6家。

而作为发明了CCD的美国人,自然不甘心市场旁落。日本称霸20多年时间里,美国企业一直在寻找一种替代技术,既能够做到CCD的高品质成像,同时这种技术的生产难度与成本,还要低到美国企业足以将传统的CCD挑落马下。

1995年,几位来自中国的华人留学生在硅谷创办的一家叫做豪威的企业,为美国带来了希望。

这家年轻的企业,一直试图将传统的CMOS工艺(互补金属氧化物半导体图像传感器),用在图像传感器中取代传统CCD的地位。

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CCD与CMOS区别

如果将两种工艺进行直观对比,在当时的工艺条件下,CMOS的成像质量较CCD稍差,但却可以做到功耗和成本的极大降低,更适合用在当时方兴未艾的消费电子市场。当年豪威把产品参加业界著名的Comdex电脑展,被众多台湾客户采购后,仅仅一个月就实现了量产[1]。

也是自此,CMOS技术逐渐成为图像传感器市场主流。风光无两的豪威开始驶向快车道,并于2000年成功纳斯达克上市,2007年切入苹果手机,成为最早的苹果产业链企业。

但CMOS的战争,才刚刚拉开大幕的一角。

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2000年豪威在纳斯达克上市的同时,老法师索尼也终于放下了看家的CCD转向CMOS市场。

与当年独霸CCD市场形成鲜明对比的是,转型十年后,一直到2010年,索尼在CMOS市占也仅有7%,而新秀豪威的市占率,却已经高达50%。

谁也不曾想,变革发生的如此迅猛:2011年10月,苹果推出iPhone4S。发布会前,有媒体爆料豪威不再“连庄”苹果后置主摄,会被索尼代替。

那时,很多人都以为这只是个不知哪里传出的FakeNews,却不曾想,在发布会的当天,苹果用实际行动证明了留言的真实性。最新款iPhone4S,苹果将大幅减少豪威的供货占比,转而扶持索尼,成为苹果的CMOS一供。

不是苹果始乱终弃,而是面对万人空巷抢苹果的需求暴涨,豪威的技术虽领先,产能却早已跟不上苹果的步伐。这背后涉及到了半导体生产的两种经典模式,IDM与Fabless。

1. 索尼采取IDM模式:即从生产制造、设计、封装测试,全产业链环节自己一手包办。这种模式优势是生产能力强,能全方位满足客户需求,但劣势是企业资产重、投资成本巨大。

2. 豪威采取Fabless模式:企业只负责设计研发,但生产和封测环节外包给第三方完成。这种做法的优势是投资小,能减少生产环节的巨大资金和人力成本,可以集中资金进行技术升级,但劣势是存在产能风险。

拥有自建工厂的索尼,毫不掩饰对扩张的野心:2011年,索尼一度在熊本和长崎研发中心投入400和1000亿日元研发CMOS,以应对市场需求的暴增。

反观豪威,虽然轻资产运营,但面对突然间的需求暴涨,没有自己晶圆厂的豪威,自然只能默默吃下哑巴亏,从一供滑落二供。

之后在2013年,又研发出比豪威更先进的堆叠式CMOS,趁着豪威还未实现技术追赶,让工人加班加点生产,进一步坐稳了苹果CMOS一供的大哥地位。

而豪威这边,尽管从2011年苹果推出iPhone4S和iPhone5后置摄像头开始采用索尼CMOS,但为保留情面,前置摄像头也依然采用豪威方案。而索尼正式形成技术+产能的双次反攻之后,从iPhone6开始,所有型号的iPhone,无论前后摄像头,苹果全部采用索尼CMOS,豪威自此被彻底踢出果链。

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2011年后,豪威与索尼CMOS业绩一上一下

产业模式造就索尼和豪威不同结局,2012年后,豪威市占率从老大滑落到老三只有11%,索尼完全承接豪威之前的高端市场客户,市占率达到40%以上。而三星趁索尼和豪威缠斗时,则凭借着终端的支持,以及最新的ISOCELL技术,从两大巨头的地盘中,撕下了20%的市场份额。

到这里,CMOS双强鼎立的格局已定,好像也没豪威啥事了,但故事还没结束。

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2013年,豪威在高端市场打不过索尼,开始转战中国做中低端市场,到2019年还被中国半导体企业韦尔股份收购。按照打败仗-被收购剧情发展,豪威大概率会步向衰落,但为什么豪威现在不仅没死,甚至还有追赶索尼的可能?

这与CMOS图像传感器的性质有关。CMOS是一个特殊的产品,大家都知道,传统的数字芯片例如CPU、GPU靠先进的制程为王,而例如射频、电源管理芯片等模拟芯片则更依赖于老师傅的经验积累。但CMOS偏偏是一个“双头鹰”:它是模拟和数字电路的集成。

在模拟这一侧,它要感知光的细微变化,把光信号变成电信号。但单个像素是微米级别的大小,因此模拟芯片并不要求特别先进的制程。

但同时,CMOS还需要将电信号还得转换成手机SoC能读懂的数字信号,这一部分是由后半部分的集成在CMOS上的数字芯片部分实现。

由于成像的关键在于前半部分,而手机像素的最佳数量也长期停在1200万像素,因此索尼自己运营工厂不但能轻松搞定,还能积累大量行业经验,无论是成本还是技术,都能占优。

直到最近几年,以三星为首的传感器厂商,祭出了“小像素”的技术路线,追求更小的像素大小,以及更高的像素目睹,以性价比路线抄到了索尼的后路。

在这一趋势下,三星和豪威,先后将像素做到了0.8微米以下,让同样尺寸的传感器,像素数量骤然上升,以前只能做到2000万、或者4000万的传感器,一下拉到了4800万,甚至6400万、一亿的像素,这一下带给了消费者满满的满足感:3000块买的手机,只看参数的话,比苹果的像素还能高出几倍。

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(即使是索尼,也利用小像素在CMOS面积不变的情况下,增加了像素)

这就让索尼陷入了两难,跟吧,自己一直在用老设备练工艺,做小像素就得换先进制程的新设备,自己的不少经验就被抹掉了,不跟吧,主打新价比的手机市场就开始被蚕食。

而对于豪威,则利用台积电的先进工艺,快速的切入了对小像素有庞大需求的3000元以下市场,开始打破索尼的铜墙铁壁。

一边是技术路线的演进,另一方面CMOS乃至整个半导体产业的格局也正在发生变化。比如,台积电的诞生,使半导体产业有了垂直专业分工可能,10年前索尼的IDM模式具备优势,但随着台积电在产能和工艺水平日益靠前,索尼的工厂已经开始追不上台积电。

于是,台积电成为豪威和索尼发展分水岭,可分两个时间段分析:

1. 2010年时期:CMOS主要比拼产能和设计技术,这一阶段,豪威采取Fabless模式,把生产交给台积电。索尼采取IDM模式,那时索尼工厂的CMOS代工水平比台积电更强,在设计方面,索尼CMOS产品也比豪威先进,所以这个时期索尼完全碾压豪威。

2. 2020年时期:这一阶段,台积电的不仅在晶圆的产能和工艺上成为全行业第一,还拥有小像素所需的40-28nm的CMOS工艺。

由于芯片需求旺盛,这两年索尼开始无法满足客户产能需求,而且自有55nm工艺性能逐渐达到瓶颈,索尼的自建工艺生产壁垒开始削弱。所以在2019年底,索尼首度外放高端芯片订单给台积电补充产能,还能导入台积电28nm制程。

换言之,在CMOS生产环节,豪威跟索尼开始站在同一起跑线,这为豪威追赶索尼提供了可能性。而且,没落已久的豪威,也在2019年遇到一个新的机遇::来自大陆的韦尔集团这一年以153亿资金将豪威收入囊中。韦尔收购豪威后大力投入研发,在2019、2020年分别突破4800、6400万像素技术,在技术方面逐渐追上索尼的三星,豪威有了重回第一梯队希望。

但这些都要建立在一个前提上,一向在中国做中低端产品的豪威,如今再做高端产品还会有人用吗?这才是问题的关键。

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很快,豪威就迎来那个“有人用”的重大机遇。

2019年5月,美国政府把华为列入实体清单,并且禁止英特尔、高通等企业对华为供货。华为启动“备胎计划”,开始有意识培养国产企业,加速供应商引入国产替代化。

据日本调查机构FomalhautTechno Solutions对华为在2019年9月推出的Mate30手机拆解分析,美国禁令后的四个月时间,按照金额计算,中国国产零部件使用率已经从25%大幅上升到42%,美国产零部件则从11%下降到1%。

豪威承接住这轮国产替代机遇。野村东方国际证券曾分析,2020年,韦尔股份(豪威)3200、4800万像素产品被华为和OPPO大量采购。同一年,小米10至尊纪念版高端旗舰机推出,后置主摄搭载豪威OV48C产品,豪威开始从副摄回到旗舰机主摄地位,从备胎逐步转正。

把握住时代风口的,还有格科微和圣邦股份。格科微主攻国内中低端CMOS市场,2010年,国产手机崛起,格科微作为小米、OPPO、vivo和传音的供货商得到飞速发展。格科微也没有缺席这波国产替代红利,比如小米10青春版的后置副摄就引入格科微GC02M1产品。

从数量上来讲,格科微的出货量非常大,甚至超过了索尼,一个月就能卖出超过1亿片。但由于单价太低,在以销售金额计算市场的统计图上,有时会被归到“Others”一栏,可见在图片传感器领域,技术领先带来的高单价是压倒性优势。

但格科微也试图做出改变。2020年7月,格科微申请科创板上市募资69.6亿元,这笔钱主要做两件事:兴建12英寸集成电路项目加强产能、研发更高端CMOS产品。格科微能不能从低端转向高端不好说,但承接这波国产替代机遇已经有所准备。

还有做电源管理芯片的圣邦股份,它的LED驱动器、运算放大器、开锁马达驱动等大量产品应用在手机电子、汽车和医疗领域,产品不仅全部自主研发,性能还比肩外国同行,国产替代空间非常大。

正因为华为引发这波国产替代浪潮,使众多国内企业得以进入高端市场。单靠企业自身技术研发赶追外国厂商,基本很难进入高端市场。

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国内电子企业的发展路径,大多从低端做起,再往高端转型。只是这种企业自己意愿想出来的成长路径,成功的案例并不多。

要实现低转高,背靠国内高端企业给予的时代机遇是相对可行选择,豪威、格科微、圣邦股份都是样本。但我们必须清醒认识到,当机遇来临时,企业自身是否具备抓住机遇的核心能力?打铁还需自身硬是一切发展关键。

随着越来越多中国品牌诞生,电子产业会发展得更强,长期投入练好基本功,国产企业才可能更好走上从分工链转换价值链道路。

全文完。感谢您的耐心阅读。

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关键词: 芯片

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