半导体行业观察 · 2021年05月13日

挡不住的CIS,小憩之后再发威

来源:内容来自半导体行业观察(ID:icbank)原创,作者:畅秋,谢谢!

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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