小米1億像素拍照手機是噱頭嗎?高像素技術探秘

最近，小米和三星一起聯合發布了攝像頭6400萬像素的Redmi手機，同時宣告1億像素手機CMOS圖像傳感器（CIS）即將到來。眼瞧著手機攝像頭在像素數量上已經趕超中畫幅相機了，前兩年飛思發布的1億像素中畫幅相機價格近32萬，這下1億像素就要人手一個了。

實際2019年，旗艦手機採用4800萬像素攝像頭已經是主流，尤其在索尼IMX586這顆CIS的普及下，以及華為拍照手機4800萬像素的一呼百應。不過「高像素無用論」是很早就有人提出過的，而且法國光學機構DxOMark最近剛剛更新的拍照手機榜單上，畫質排名第一的Galaxy Note 10+分明是一臺主攝1200萬像素的手機；就連三星自己都沒有在自家的旗艦手機上應用那麼高像素的CIS；蔡司也說4000萬像素就夠了，再往上堆沒有意義。

那麼1億像素的這種堆料，是營銷噱頭，還是技術趨勢呢？

1億像素經歷的數十年發展

要說技術趨勢，恐怕即便是CIS行業內的領導者都沒有完整的話語權。早在2001年，日本三洋在CCD技術上的優勢，致其在手機和相機圖像傳感器市場佔據30%以上的市場份額；但在後續決策過程中，三洋始終認為，CCD相比CMOS更有前景，而後續市場的實際情況和三洋的判斷完全相反，導致三洋徹底葬送了圖像傳感器業務。2005年，IC media被LG兼併後，成為全球最大CIS製造商，IC media認為Edof是手機拍照的未來，同時還預言手機CIS尺寸會越來越小，加上IC media在3T向4T技術過渡期表現不佳，IC media也很快就拱手讓出了市場。

數據來源：Yanta Research

在技術迭代的節骨眼上，CIS行業倒下的玩家也是前僕後繼的，即便是行業領導者也可能輕易潰於一次決策失誤。現如今的CIS市場是索尼和三星的天下，這從上圖統計的市場份額數據就能看得出來。不過基於CIS的行業特性，我們也很難用他們對市場的判斷來下一個趨勢定論。

總結CIS市場玩家的趨勢動作，卻是可以看出端倪的。索尼和三星今年都忙於4800萬像素CIS爭奪戰，不過索尼在這一戰中始終處在上風：國產手機應用IMX586 4800萬像素CIS成為一種常態，而同為4800萬像素的三星GM1卻由於模擬讀出技術的劣勢，在市場表現上明顯弱於索尼。

所以三星搶發6400萬甚至1億像素CIS，開闢新戰場也完全可以理解：而且實際早在今年5月，三星的這個路線圖就已經對外公開；早前亦有傳言稱，索尼的6400萬像素傳感器也已經在路上。從去年多攝、AI拍照之爭，現如今的焦點似乎又回到了像素戰。但解析度，或者說像素數量方面的對戰實際一點也不奇怪，尤其在技術成熟以後。

一個CIS傳感器之上有多少個像素，可以簡單理解為將這顆CIS傳感器切分成多少份。比如10800萬像素，也就是將CIS切分成10800萬份，每一份都是一個像素。每個像素負責單獨感光。像素數量與最終成像的解析力是密切相關的，在理想情況下，我們可以認為，像素數量越多，照片解析力就會越好——當然這只是理想情況。

來源：TechInsights

那麼這其中的技術關鍵自然就是將像素做小，或者將CIS做大。這實際也正是市場近十多年來的總體技術趨勢。研究機構TechInsights統計了近20年手機/小DC的圖像傳感器，像素尺寸趨勢。實際很容易發現，像素正變得越來越小。我們甚至可將像素尺寸視作圖像傳感器迭代的表徵。

實際無論是索尼的4800萬像素，還是三星的6400萬/1億像素CIS，其像素尺寸（pixel pitch）都在0.8μm這個節點上。這樣看來，基於0.8μm尺寸的1億像素CIS，實則是對這一代技術的擴張，也顯得相當合情合理，而非純粹的博取眼球。不過相應的，為了容納這麼多的像素，CIS的總尺寸是在逐漸變大的。索尼IMX586 4800萬像素CIS尺寸為1/2英寸（可簡單理解為對角線長度），三星GW1 6400萬像素CIS尺寸為1/1.72英寸，而還沒有問世的1億像素CIS尺寸將是1/1.33英寸。

 

1/1.33英寸是個什麼概念呢？如上圖所示。iPhone XS的攝像頭CIS尺寸為1/2.55英寸，iPhone X為1/3英寸，索尼著名的黑卡RX100相機CIS尺寸為1英寸。實際上，5年以前的高端DC還在用1/1.7英寸的CIS。

雖然1/1.33英寸這個尺寸和單反/微單還存在量級差距（如上圖橙色區域的全畫幅），但在手機領域，刨除諾基亞808 Pureview這種拍照怪獸不談，三星的1億像素1/1.33英寸CIS，在尺寸方面可以認為是絕無僅有的，而且正靠攏1英寸小DC。實際上，將CIS做大，不僅意味著CIS成本的增加，而且攝像頭的光學結構（比如鏡頭）也跟著在成本方面急劇增長，且在容納進手機機身的技術難度也更大——不過這就在本文的討論範圍之外了。

另一方面，Cadence在今年的TSMC 2019技術座談會上報告稱，今年像素尺寸達到0.8μm，明年預計可下探至0.7μm。實際上，從最近我們獲取的消息來看，三星LSI在CIS方面的路線圖中，除了明年的0.7μm，2021-2022年預計還會有更高像素的CIS問世，像素尺寸可以縮減至0.56μm/0.64μm。

「高像素即正義」背後的技術升級

不過圖像傳感器作為半導體的邊緣領域之一，它與數字IC還是有很大不同的，發展也不遵從摩爾定律。事實上，越小的工藝節點，很多情況下意味著性能表現愈發糟糕。這從直覺上也很容易理解：像素是用來感光的，它收集的光子越多，拍照效果才會越好。換句話說，像素越小，則其感光能力越差。這實際也是單反與手機在拍照上始終有難以逾越的差距存在的主要原因。

像素收集光子的過程，就類似於在某片空地（空地類比為CIS）上放滿盆子（每個盆子就是一個像素），下雨時（拍照時），雨點落進盆裡（光子打到像素上）。這裡我們簡單地將一個像素集滿光子的能力定義為「滿阱容量（Full Well Capacity）」，也就是盆子能盛多少雨水。

在像素尺寸已經如此之小的情況下，增加滿阱容量的方案就是增加「阱深」，或者說active Si的厚度。上圖的（2）表示的就是「像素阱」的深度。針對像素阱的設計都是需要工廠花重金去試錯的，更早1.0μm像素時代的active Si厚度為2.5-2.7μm，現在則加深到了3.9μm。

實際上，即便是一些不喜歡採用高像素攝像頭的手機製造商（比如蘋果現在在用1.4μm像素尺寸的CIS），像素阱加深也是趨勢。不過一旦像素阱變深了，那麼臨近像素之間就更容易產生串擾（crosstalk），比如原屬於某個像素的光子，由於以傾斜角度進入到像素內部，可能穿越到臨近的像素。這就對最終成像產生了消極影響。

MWC 2019 Shanghai三星展示的ISOCELL Plus像素（注意，這裡的「鏡頭」在翻譯上並不合理，英文是micro-lens，是指每個像素之上的一個微透鏡）

所以目前手機CIS為解決這個問題的技術焦點就在深槽隔離技術（DTI）上，簡單地說就是在每個像素阱之間加入隔斷，避免串擾。今年的MWC 2019上海展會上，我們就看到三星著力展示的就是這種DTI技術。三星在市場宣傳中稱其為ISOCELL。不過最早將DTI技術應用到背照式CIS的企業是意法半導體（2010年的HTC One），可惜iPhone的崛起導致意法半導體下遊客戶相繼沒落，意法半導體也就沒能在DTI這一局中有所斬獲。

雖然三星的ISOCELL在市場宣傳中更加廣為人知，但索尼最早引入DTI也可以追溯到2013年，最初索尼採用B-DTI工藝，所用的界面氧化物包括了HfO、TaO和基於鈦的襯底與鎢金屬；2015年，索尼開始改用更深層的電介質填充的B-DTI結構，更薄的界面氧化物：AlO，TaO，以及無摻雜的氧化物內核。

上面這張圖就是索尼和三星最新的0.8μm像素，可以看到兩者的像素隔斷差別還是比較大的。DTI結構會根據所處工藝環節的不同而有異，更早階段實施的叫F-DTI，工藝流程更靠後環節的叫B-DTI，實際這兩者還有從像素哪一端構成的差異。這兩者都被證明是有效的方案，而且也都需要投入大量研發成本，以減少來自DTI蝕刻工藝產生暗電流的影響。

索尼採用的是B-DTI，三星所用的F-DTI方案要求必須採用VTG（vertical transfer gates，索尼早期也曾用過這種方案），所以其隔斷會比較完整——這似乎也是目前三星著力的宣傳點。另外，索尼所用的氧化物填充B-DTI隔斷為150nm寬度，三星則為110nm。

隨著像素變小、active Si厚度變大，DTI結構本身也在持續進化中。DTI以及相應的鈍化技術是目前像素越做越小的關鍵所在。如果說高像素真的如很多人所言只是個噱頭，並且只會讓畫質變差的話，那麼三星、索尼、OmniVision這些廠商又為何要非要投入大量成本研發此類技術呢？

 

除了DTI之外，近1-2年手機CIS領域的另一個熱門技術就是晶片堆棧——這和索尼更早應用了「Stacked」堆棧式技術的Exmor RS圖像傳感器產品還不一樣。當年的stacked技術是把像素周圍的電路移到下層去，電路不需要佔用像素表面的位置，讓像素感光開口更大。現在的晶片堆棧是指，將CIS、ISP和DRAM（相當於圖像傳感器的一個緩存）三層堆疊在一起。

上面這張圖呈現的就是在CIS之下堆疊的ISP。這裡的ISP並非手機SoC層級的ISP，是個混合信號的圖像信號處理器。值得一提的是，ISP部分索尼用的是自家的40nm技術工藝，而三星則採用28nm，但這種工藝差別在這個層級造成的差異也很難對比。此外，三星在此例中還倒裝了一個DRAM die。CIS的專有DRAM也是個趨勢，畢竟在像素那麼多的情況下，數據吞吐量會成為一個大問題。

索尼的兩層堆疊封裝（CIS與ISP）依然很常見，堆疊的一個技術核心就是chip-to-chip的互連。在上述iPhone XS和華為P30 Pro的攝像頭中，索尼用的是6.0μm間距的Cu-Cu混合連接（bonding），用以替代TSV（矽穿孔）互聯方案，目前正在開發像素級互聯技術。

 

三星加入DRAM的三層堆疊已經能夠在Galaxy手機上見到，不過這個「三層」實際上，是把DRAM die以倒裝晶片的方式置於ISP與CIS雙die堆疊後方，DRAM融合了兩層RDL層以及一個高厚徑比的TSV貫穿到ISP，實現連接。而索尼的三層堆疊才是真三層互聯，採用完整TSV互聯的方式，連接DRAM後方的RDL層。

1億像素是種權宜之計

在手機這種小身材的設備內，是不可能塞進單反或微單級別的CIS的。所以這20年縮小像素尺寸的戰役裡，除了前文提到的增加像素阱深度，在像素之間增加DTI結構，期間還有很多具有標誌性的技術出現：只不過這並非2018-2019年的熱點。

 

如說背照式BSI技術，將像素內部的色彩filter和感光層中間的電路移到後方去，一定程度解決串擾和光利用率的問題；以及堆棧式技術，將像素周圍的電路也移到後方去；還包括了像素最前方微透鏡涉及的光學結構變化，如三星在ISOCELL Plus像素設計中（說起來，三星的市場部可真盡責，連像素都有自己的名字），已經採用薄至1.17μm的光學堆棧——如上圖。

但即便有這麼多的努力，像素表面積畢竟還是越來越小了，而且還需要考慮到PDAF對焦技術應用到CIS還需佔據像素額外的空間。或許在光線充足的環境下拍照，0.8μm的像素尺寸問題還不大，但一旦來到夜景拍攝環節，小像素感光能力差的短板就會徹底暴露（這裡我們不討論攝像頭的光學設計）。所以，從像素濾鏡排列（CFA，彩色濾鏡陣列）下手，是三星和索尼的又一個把戲。

上世紀70年代，柯達公司的Bryce Bayer發明了數字攝影的「拜耳陣列」彩色濾鏡，他應該沒想過這種方案會沿用至今。在我們現代的CIS方案中，為了讓每個像素能夠感知到色彩，每個像素前方（微透鏡後方）都有一個彩色濾鏡。有的像素感知紅色，有的像素感知藍色，還有的像素感知藍色。

圖片來源：wikipedia

在拜耳陣列的CFA系統下，每個像素都只能感知紅綠藍的一種色光，其色光感知的原始數據實際上是不完整的，最終出片需要通過某種「猜色」算法（反拜耳算法，或稱demosaic算法）來還原每個像素的真實色彩。拜耳陣列的濾鏡排列為，1個紅色像素+2個綠色像素+1個藍色像素，如上圖所示，如此循環遍布整個CIS。

考慮到現如今單個像素實在太小了，所以索尼和三星同時想到改變這種濾鏡布局，改為每四個像素都同時採用同一種色彩的濾鏡。這樣一來，每4個像素就相當於感知同一種色光，或者說它們就好像合成了一個面積達到單像素4倍的大像素一樣，聯合工作。這就是索尼宣傳中的Quad Bayer陣列，而在三星的宣傳中，這種CFA排列方式叫做Tetracell。

圖片來源：三星

尤其在應對夜間拍攝場景時，實現這種「像素四合一」實際是相對彈性地實現了在小像素和大像素之間的切換。這種設計的好處，是一方面在光線充足時用大量的像素加強解析力，另一方面在光線昏暗時主動降低解析力，但增加了進光量。還有一點：在市場宣傳中，6400萬像素、1億像素說起來又更好聽。

不過也正是由於Quad Bayer這類CFA方案的存在，雖然像GW1這類CIS的確有6400萬個像素，但在施行後期「猜色」算法時，還原真實色彩的難度會更大：或者說，它原本保有的色彩信息量就少於傳統拜耳陣列CFA，這樣一來畫面的解析力實則不能達到6400萬像素應有水平。

所以標稱的4800萬、6400萬和1億像素提升，相較從前1200/2000萬像素，雖然在解析力上的確有提升，但解析力提升與像素提升並不成正比。與此同時，四像素合一的方案也並非0.8μm的像素突變成1.6μm大像素這麼簡單：四個像素的表面積的確比一個像素大，但它還是無法和一個真正的大像素相比，因為像素合成、ADC設計，以及像素間隔斷犧牲的表面積，仍然帶來了不少影響。

即便如此，Quad Bayer和Tetracell仍然稱得上是解析力和感光能力的權宜之計。實際上，除了這種四合一設計，1億像素的九合一方案也正在來的路上。而且這種設計也不光兼顧了感光和解析力，還能執行像素級HDR（3DHDR），四個像素分別應用不同的曝光參數，達到畫面更高的動態範圍。

不難預見，4800萬、6400萬和1億像素，在CIS像素層面雖然都是0.8μm，但一億像素這個量還是大了很多的。無論是CIS堆棧級別的ISP做remosaic，還是SoC級ISP進行反拜耳，以及一系列的圖像數據處理，一億個像素的算力要求都會空前增加——或許連顯示在屏幕上都需要時間，那麼1億像素的CIS是否真的輸出1億像素的照片，大概都是個值得考慮的問題。而1億像素實際還更考驗三星在拍照技術上的一個短板：高速模擬電路設計。

索尼與三星的技術之爭

從前文的技術解讀中其實不難發現，在CIS和像素的細節製造上，三星在某些環節還是掌握了工藝優勢的。這大概也是它能夠搶發6400萬像素甚至1億像素產品的原因所在，而且規劃中還有更小像素的節點：雖然這一點還有待大規模量產的市場考驗，畢竟三星LSI在SoC製造領域也一直很擅長「提(fang)前(wei)量(xing)」。但成像技術並不單在像素設計和製造上。

當代手機SoC級的一般ISP是無法執行前述Quad Bayer CFA的「猜色」還原算法的，所以在CIS拍攝到原始信號之後，靠近CIS的ISP（即前文提到的堆棧在CIS下方的ISP）需要首先對數據進行一次remosaic（這個層級也可以放到SoC級ISP的pipeline中）——也就是先把Quad Bayer數據還原成傳統拜耳數據，然後再把數據轉交給SoC級ISP進行demosaic反拜耳。

某種可行的remosaic方案，圖片來源：DPReview

三星較早發布的4800萬像素GM1之所以被捲入「真假4800萬像素」之爭，就是因為這顆CIS並不會進行remosaic過程，而是在CIS堆棧的ISP內簡單地將每四個同色像素合成一個，最終輸出的也就是1200萬像素信息量（所謂的binning）。即便在CIS層面的確包含了4800萬個像素，但實際在ADC和輸出環節卻掉了鏈子，GM1官方資料提到其輸出最大為30fps的1200萬像素，而沒有全像素支持。

實際三星在今年5月終於推出原生4800萬像素輸出的GM2 CIS，也僅僅實現了全像素（4800萬）10fps輸出，參數中仍未見片上實時remosaic。索尼卻在更早就IMX586中就實現了支持。這是索尼技術領先的一個例證。另外，我們未能找到三星最新GW1 6400萬像素和計劃中1億像素CIS的具體參數，三星似乎也還沒有公布這些數據。未來具體產品發布後，應該能夠說明三星在短板部分投入了更大的努力。

TechInsights今年3月公布的數據顯示，索尼在圖像傳感器領域擁有最多的專利數量，三星和佳能緊隨其後。在具體類別的專利方面，索尼在模擬和數字方面的專利積累很多，上圖藍點表示的就是電路相關專利，黃色是製程工藝。三星似乎的確在像素、材料的製程工藝方面有著很強的儲備，但在數字、模擬、後期校正等其他方面和索尼仍然有一定的距離。

不過三星的產品路線，以及這種搶發行為對市場有刺激作用。1億、2億像素的技術推進本來就是良性的，需要在設計和製造中投入大量成本，而非市場營銷噱頭。這也必然對索尼產生影響，並在未來的手機攝像頭市場上帶來更白熱化的競爭。

最後稍微談一談高像素對拍照究竟有何益處——這部分實際上是數字成像相關的內容了，和半導體製造關係並不大：

• 最直觀的，也就是前文提到的高像素能夠加強照片的解析力，光照充足的環境下讓拍攝對象更清晰；

• 很多人聲稱以顯像設備如今至多4K的解析度來看，成像設備解析力達到1億像素已經沒有價值。但實際上解析力加強最大的價值在於，照片放大或者截取其中一部分之後，畫面仍有較高的可用性——對廠商而言，可實現更高倍率的數字變焦或配合光學變焦的「混合變焦」；

• 另外，就顯像設備的解析度為依據，拍照時多出的這些像素可作為「過採樣」之用。而過採樣的價值就很大了，比如說過採樣的噪聲抑制、HDR。同等尺寸的CIS，高像素和低像素相較，通過超採樣可以實現更高的信噪比和畫面更高的銳度。

不過更小的像素和更大的CIS，就手機這類小身材設備而言可能帶來一些問題。比如當像素越小時，配套光學系統中更大的光圈才能杜絕成像中的衍射效應，高像素對光學鏡頭製造商也提出了更高的要求；CIS本身的增大當然也會讓光圈孔徑變得更大，如此一來攝像頭的體積恐怕也會隨之增大，或者說在光學系統不做出優化的情況下，畫質可能因為光學系統的缺陷而產生劣化，比如畫面邊角失色、解析力明顯下降等，不過這些就不在本文的討論範圍內了。

參考來源：

[1] Samsung Officially Unveils 108MP Sensor for Smartphones - Image Sensors World

(http://image-sensors-world.blogspot.com/2019/08/samsung-officially-unveils-108mp-sensor.html)

[2] The State of the art of smartphone imagers, Part 1: Chip-stacking and chip-to-chip interconnect

(https://techinsights.com/blog/part-1-chip-stacking-and-chip-chip-interconnect)

[3] The state of the art of smartphone imagers, Part 2: Pixel Scaling and Scaling Enablers

(https://techinsights.com/blog/part-2-pixel-scaling-and-scaling-enablers)

[4] The state of the art of smartphone imagers, Part 3: Back-Illuminated Active Si Thickness, Deep Trench Isolation (DTI)

(https://techinsights.com/blog/part-3-back-illuminated-active-si-thickness-deep-trench-isolation-dti)

[5] A Survey of Enabling Technologies in Successful Consumer Digital Imaging Products, Part 3: Pixel Isolation Structures

(https://www.techinsights.com/blog/survey-enabling-technologies-successful-consumer-digital-imaging-products-part-3-pixel)

[6] Yanta Research on 2018 CIS Market Shares - Image Sensors World

(http://image-sensors-world.blogspot.com/2019/05/yanta-research-on-2018-cis-market-shares.html)

[7] Techinsights Image Sensor Slides - Image Sensors World

(http://image-sensors-world.blogspot.com/2019/03/techinsights-image-sensor-slides.html)

[8] How Tetracell™ delivers crystal clear photos day and night - Samsung

(https://www.samsung.com/semiconductor/insights/tech-leadership/how-tetracell-delivers-crystal-clear-photos-day-and-night/)

責編：Yvonne Geng