過去十年是CIS（CMOS Image Sensor，CMOS圖像傳感器）飛速發展的十年，索尼的半導體部門正是借此崛起，根據Yole的報告，索尼坐穩了全球第一大CIS供應商位置——即使不算剛剛收購的東芝，銷售額也達到了35%、出貨量更是高達50%，超過第二名三星、第三名Omnivision之和。與此同時，索尼CIS一靠iPhone二靠DXOMark實現了名利雙收。

　　今天索尼傳感器看著風光無限，可誰想到過去十年索尼不為人知的努力與遭受的白眼，比如說尼康的旗艦全副幾乎不采用索尼傳感器，像素長期被佳能壓制，另一方面索尼在CIS的“黑科技”一點也不黑，事實上不過遵循業界技術發展而已，過去十年是索尼CIS的奮斗史、追趕史。

　　Exmor誕生

　　與歐美企業喜歡采用簡單明了的命名方式不一樣（比如說普及最廣的彩色濾鏡陣列，就根據其特征命名為RGGB排列，或采用發明者的名字），日本企業命名更具“神秘東方色彩”，一個能夠通俗易懂的技術會加上玄之又玄的名字，這點索尼最為突出。

　　在2007年索尼發布了首款Exmor傳感器，相對以往CIS，Exmor最大變化是內置了ADC（analog-to-digital converter，模數轉換器）。在外置ADC傳感器傳輸數據時，每列像素產生的信號先通過降噪電路，匯聚后再通過外部總線傳輸到單個或數個ADC之中。而Exmor每列像素擁有獨立的ADC，在CIS芯片上即可完成模數轉換，最后通過數字總線傳輸出去。由于Exmor的ADC數量非常龐大，每個ADC能在低頻率下運行，僅達到kHz級別，遠遠低于外置ADC的MHz級別，有效減少了噪聲，也利于實現高速讀取。而且Exmor輸出的是數字信號，抗干擾性更好，易于長距離布線，亦無須ADC靠近CIS布置，大幅度簡化了PCB設計。

　　IMX035是索尼首塊Exmor傳感器，應用于安保領域，1/3英寸、像素為1328×1024，能以全像素輸出120fps，內置ADC功不可沒。Exmor的成果迅速被索尼應用到其它領域之中， 2008年發布的單反相機尼康D3X、索尼A900正是采用了索尼24MP全副傳感器IMX028，不過在IMX028上索尼只能實現12bit、5fps全像素連拍，為了保證畫質尼康不得不外置了14bit ADC。

　　（尼康 D3X上的IMX028）

　　與業界先進水平相比——例如是ARRI在2005年推出的D20攝像機（其6MP、Super35規格CIS在12bit下峰值輸出達到了150fps）或是稍遜的2007年亮相Red One Mysterium-X（4K@60fps），索尼在2007年才實現了內置ADC，還是在小尺寸傳感器下實現的，落后不是不是一丁半點。但憑借Exmor索尼拿到了進入CIS市場的“準入證書”，開始了小步快跑的追趕之路。而日本另一家大型CIS制造商佳能長年徘徊在內置ADC的門檻之外，2015年傳感器銷售額大跌16%毫不讓人意外。

　　（Red One Mysterium-X上的傳感器）

　　借手機上位的Exmor R

　　在實現了內置ADC后索尼高歌猛進，2008年推出了采用BSI（Back-illuminated，背照式）技術的Exmor R傳感器。Exmor R沿用了Exmor套路，先在技術難度較低的小尺寸CIS上試水，首款產品是IMX055CHL，尺寸為1/4英寸，總像素為2048×1536，被應用在HDR-CX110等攝像機當中。不過讓Exmor R揚名立萬的，不是索尼自家相機、攝像機，而是蘋果的iPhone 4s。

　　iPhone 4作為一款劃時代產品其意義不必多表，與大家映像中iPhone采用索尼CIS不一樣，iPhone 4采用的是來自Omnivision的OV5642背照傳感器，直到iPhone 4s上蘋果才改用索尼8MP的IMX145背照傳感器。在FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED，前照式）時代里，拜爾陣列濾鏡與光電二極管（Photo-diode）間存在大量金屬連線，阻隔了大量進入傳感器表面的光線。為了緩解該問題，TowerJazz、松下提出過在每個光電二極管前端加入導光管（Front-side via wave guides）方案，但效果遠不如BSI明顯。在BSI結構下，金屬連線轉移到光電二極管的背面，光線不再被阻擋，信噪比大幅度提高，而且可以采用更復雜、更大規模電路來提升傳感器讀取速度。自BSI傳感器普及起，手機夜拍不再是難事，便攜數碼相機的衰落加速，索尼半導體部門以損失一個小市場換來一個大市場。

　　Exmor R對相機市場造成實質影響還得等到索尼黑卡二代RX100II面世，該相機采用的IMX183傳感器相對前一代IMX163主要指標沒有變化（1英寸、20MP、22fps），但高感光度表現大幅度飆升，后來該傳感器紛紛被佳能、松下相機所采用（要明白佳能、松下均能自產傳感器）。

　　既然BSI療效這么顯著，那什么時候APS-C、全副相機才能用上呢？當年索尼被問及此問題時卻拋出了一個背照在大尺寸傳感器上無用論。可日后索尼先后被三星、被自己連扇耳光。2014年三星發布了全新的旗艦微單相機，采用了一塊28MP、APS-C畫幅的背照傳感器，連拍速度達到了15fps。更為驚人的是，三星傳感器市場經理Jay Kelbley在采訪中表示，NX1的傳感器采用65nm銅互連工藝制造，其讀取速度可達到了240fps（13bit下）。很可惜的是，自NX1發布后，三星在相機市場再無大的舉措，還傳出了要退出相機市場的信息。

　　在2015年索尼拿出了A7RII相機，采用42MP、全副背照傳感器，14bit下連拍速度可達到了5fps，可在不裁切畫幅情況下拍攝4K視頻。在索尼官網上并沒有該傳感器資料，也沒有其它廠商采用該傳感器，估計是半導體部門特供給相機部門的芯片，最高讀取速度并不清楚。BSI結構賦予了A7RII出色的高感光度表現，可苦于孱弱的處理器，連拍僅有5fps，估計A7RII后續產品會沿用該傳感器、更換新處理器。

　　銅互連與全局快門

　　在推進Exmor R的同時，索尼默默將傳感器工藝從鋁互連升級到銅互連。在1997年，IBM發布了首款采用銅互連工藝的芯片PowerPC 750。與鋁線相比，銅線的導電電阻大約低40%，讓芯片運行速度提高15%，可靠性提高了100倍，尺寸可以做得更小，為芯片增加互連層數提供了可能。可是銅原子能夠在芯片的絕緣層中漂浮，還可能改變硅的電氣屬性，破壞設備運轉。為此IBM采用鎢觸點、襯墊等一系列創新技術將銅從硅中隔離處理，防止了這些負面影響。

　　可直到A7RII發布，索尼（相機部門）才宣傳采用了銅互連工藝，這點讓人感到非常奇怪。早在2012年尼康發布的D600全副單反相機就采用了IMX128，該傳感器能14bit下全像素實現6.9fps速度，相對D3X上的IMX028有了質的提升，這正是銅互連工藝帶來的變化，而且電影級攝像機F55、F65的CIS能實現高速讀取與銅互連也脫不了關系。估計在A7RII身上宣傳銅互連工藝是對索尼對NX1的一個回應。

　　（A7RII傳感器結構示意圖）

　　在相機領域第一次聽到全局快門（Global Shutter）一詞得追溯到尼康2011年發布的尼康1系列微單相機，該系列相機采用Aptina（現被ON Semiconductor收購）出品的1英寸、10MP傳感器，全像素連拍速度達到了60fps，記錄至今未有一臺相機能打破。

　　（Nikon1 V1上的CIS）

　　全局快門屬于電子快門一種形式，在它出現前CIS采用的是卷簾快門（Rolling shutter）），傳感器上的像素（光電二極管）逐行曝光、傳輸，在拍攝高速運動會形成“傾斜”、“搖擺不定”、“變形”的現象，也就是常說的果凍效應。全局快門為了解決此問題，在像素下部增加存儲單元，在曝光時所有像素同時曝光并將信息保存到對應的存儲單元之中，即使采用逐行傳輸方式也不會帶來果凍效應。

　　索尼最早采用全局快門的產品是2012年推出的電影級攝像機F55，上面搭載了一塊Super35格式、11.6MP傳感器，拍攝4K視頻可達60fps。在F55推出的很長一段時間內，索尼再沒采用全局快門的貨架CIS銷售，也沒有新的相機、攝像機采用該技術，直到去年工業用傳感器IMX250LLR/LQR、IMX252LLR/LQR等產品出現，此時索尼為全局快門起了一個“東方神秘色彩”的名字Pregius。不過在2015年里采用全局快門CIS均是Exmor級別傳感器，未能與BSI結合，更是局限于小尺寸、低像素產品。

　　大小通吃的Exmor RS

　　在2012年8月20日索尼發布了“堆疊式結構”（stacked structure，后來索尼又將其翻譯為積層型）的CIS，將其命名為Exmor RS。索尼表示該結構將承載背照式像素結構的像素部分疊放于附著信號處理電路的芯片上方，取代了用于背照式CMOS影像傳感器的傳統的支撐襯底。

　　（索尼官方的stacked structure示意圖）

　　Exmor RS一出一片嘩然，這到底是什么鬼？要理解stacked structure結構，最好拋開索尼官方資料，索尼的表述實在過于含糊，關鍵點也未說明，而且stacked structure不是索尼獨有技術，有大量資料可以幫助我們理解該結構。

　　BSI將濾鏡與光電二極管之間連線轉移到光電二極管背面，但光電二極管陣列周邊依然存在大量電路，在stacked structure結構下這些電路被轉移到光電二極管背面，并通過TSV（Through Silicon Via，硅通孔）技術連接到其它芯片。這樣有很多好處，首先是遷移電路后，CIS總面積減少，提高了良率，降低了成本；其次CIS是一種模擬電路，它不遵循摩爾定律，采用更小線寬工藝甚至會降低性能，電路移動背面以及采用TSV后，可以很輕松將兩塊不同工藝、不同類型芯片貼合在一起，典型的用法就是索尼RX100IV上的新1英寸CIS。

　　（三星的ISOCELL傳感器，采用了stacked structure結構）

　　與A7RII相似，RX100IV上的CIS并沒有出現索尼官網，也沒有其他廠商使用，又是一款特供索尼相機部門采用。該傳感器采用了stacked structure，相對IMX183增加了一倍ADC，將DRAM、ISP貼合在CIS的底部，用于緩存、讀取、處理圖像信息，實現了相機上前所未有的慢動作視頻能力（1824×1026@250fps，1676×566@500fps，1136×384@1000fps）。

　　與Exmor R快速在智能手機普及一樣，Exmor RS迅速在智能手機上普及開來，讓智能手機實現了4K視頻、1080P慢動作視頻、PDAF一系列特性，iPhone 6s、Galaxy S7等手機甚至將多幀合成輸出作為拍攝照片默認設置，手機與相機差距又進一步縮小。幸運的是，到了stacked structure時代，索尼比主要競爭對手三星、Omnivision有著不少優勢，比如說濾鏡到光電二極管的厚度更薄、畫質表現更好，在龐大的產能下有效分攤了研發成本，依然保持銷售額、占有率上的優勢。

　　在NAB 2016上索尼發布了新款廣播級攝像機HDC-4800，該機器采用了一塊結合全局快門和stacked structure結構的Super35 CIS，模擬部分采用90nm制造工藝，數字部分采用了65nm制造工藝，應用了SLVE-EC總線（索尼在ISSCC 2011上發表），能以480fps速度輸出4K圖像。索尼敢于再次在大尺寸CIS采用全局快門其信心很可能源自于stacked structure結構。

　　焦點之外

　　內置ADC、BSI、stacked structure都是CIS常規套路，索尼能做到三星、Omnivision也能做到，索尼想要超越對手，自然要在其它方面下功夫，我們能一些零碎的信息中看到索尼這方面的努力。

　　IMX204是一塊索尼于ISSCC 2015披露的CIS，官網產品列表亦有其信息，但卻未有市售相機采用該傳感器。在指標上IMX204并不突出，Exmor RS，1/1.7英寸，20MP像素，全像素讀取速度30fps，其真正過人之處在于其它方面——“New is the DOUBLE single-slope ADC for every column， located on the second layer of silicon. So every pixel can be converted into the digital domain twice and in parallel， resulting in a double sampling of the data. If the timing of the ADCs is done right， a gain of 3 dB can be realized （= to the theoretical calculation）。 In this configuration of multiple sampling， the resulting noise level is 1.3 electrons for a gain of 27 dB. ”

　　這是索尼首款提到雙ADC的CIS，雙ADC不是什么新鮮技術，我們甚至看過了大量采用雙ADC拍攝影視作品——采用Alexa拍攝的《唐頓莊園》、《權利游戲》、《美國隊長》、《荒野獵人》、《地心引力》……Alexa是ARRI在2009年推出一款電影級攝像機，其搭載的ALEV III傳感器采用了雙ADC技術，也就是雙增益結構。每個像素擁有2個獨立的信號通道連接兩組不同的ADC，一個通道讀取14bit高增益信號，另一個通道讀取14bit低增益信號，最后通過處理器合成出一個16bit高寬度畫面。至Alexa發布至今其寬容度從未被一款量產相機、攝影機超越，它能在全感光度范圍下實現14stops寬容度，極限寬容度超過15stops。IMX204采用雙ADC很可能是為了提高寬容度，也有可能是進一步提高讀取速度，以目前信息來看很遺憾是更傾向后者。

　　從布萊斯·拜爾注冊專利到今天整整是四十時間，拜爾陣列一直是CIS實現捕捉彩色圖像的主流方案，然而近年來出現了不少新濾鏡陣列以求取代老舊的拜爾陣列。索尼在NAB 2011上亮相了 F65電影級攝像機，其CIS為Super35格式，像素20MP，采用了全新的Q67——看起來像個傾斜了45°拜爾陣列，索尼表示Q67能實現更高效的插值采樣，只要20MP即可實現8K分辨率。不過Q67僅F65一家再無分店，F65市場占有率也遠遠低于后來F55。

　　在去年發布的華為P8手機上采用的IMX278是索尼對改進拜爾陣列又一次改進，在傳感器上采用了R、G、B、W四種濾鏡來捕捉彩色圖像。無獨有偶，IMX278僅在P8亮相，再無其它手機使用。從技術層面上說，用什么顏色濾鏡捕捉彩色圖像更多屬于ISP、屬于軟件算法問題，制造不同顏色濾鏡對CIS制造并無多大技術難度可言。

　　結語

　　經過十年發展，索尼總算把主流傳感器技術應用到大小尺寸CMOS圖像傳感器之上，沒有出現所謂的“黑科技”，其結果是多方面的。在移動領域，索尼眼前不存在實力超強勁的對手，憑借著不錯的性能、價格，能夠獲得很好的市場占有率，但利潤率有限，現在面臨著巨大的挑戰——地震致CIS減產會造成三星等乘虛而入。

　　在相機層面，CIS銷售數量雖不如前，但瑞薩退出、東芝被收購，即使佳能、松下尚在，已沒有一家日本CIS供應商能正面挑戰索尼的地位了。對于抱團只用日本傳感器、日本處理器的相機廠商來說，這絕對是一個噩夢，索尼自從擁有了從上游影響相機市場的能力，大家只能含著淚繼續用IMX094，說不定現在尼康在后悔沒有把東芝半導體部門收入囊中。

　　而在高端領域，恐怕Teledyne Dalsa、ON Semiconductor、e2v還是對索尼報以呵呵一聲，索尼十年努力不過讓自己剛剛觸摸到門檻而已。