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作者：熊熊
從2020年開(kāi)始，計(jì)算、汽車、安防、醫(yī)療、工業(yè)等眾多領(lǐng)域的CIS（CMOS圖像傳感器）芯片市場(chǎng)增速都超過(guò)了手機(jī)領(lǐng)域，呈現(xiàn)出“百花齊放”的局面，CIS芯片技術(shù)和供應(yīng)鏈也正悄然變化。
近日，有關(guān)于CIS芯片的消息不斷，使得CIS芯片在產(chǎn)業(yè)內(nèi)又“小火”了一把。
5月20日，思特威(上海)電子科技股份有限公司在上海證券交易所科創(chuàng)板上市。思特威是一家專門從事CMOS圖像傳感器芯片產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)和銷售的高新技術(shù)公司；5月22日，CIS芯片龍頭韋爾股份宣布投資北京君正，據(jù)稱是看重車用MCU和存儲(chǔ)芯片。加上韋爾股份本身在車用CIS芯片的積累，可以預(yù)見(jiàn)韋爾股份已經(jīng)將下一個(gè)業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)點(diǎn)押注在了汽車電子上。
這僅僅是CIS芯片市場(chǎng)的縮影，除此之外風(fēng)云變幻的CIS芯片市場(chǎng)，又將走向何方呢？
CIS芯片技術(shù)走向何方？
單像素尺寸不斷縮小，CIS芯片尺寸增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯
像素是CIS芯片中很重要的一個(gè)參數(shù)。像素?cái)?shù)量×單像素面積＝實(shí)際感光面積。像素?cái)?shù)量、單像素面積與實(shí)際感光面試是正相關(guān)的，在感光面積不變的前提下，增加像素?cái)?shù)量可以讓手機(jī)圖像解析度提高。
然而，像素?cái)?shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致CIS芯片尺寸的增長(zhǎng)。但是，CIS芯片面積越小，晶圓代工成本就越低，為了降低成本，縮小單個(gè)像素面積成了行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
基于行業(yè)多年來(lái)的不懈投入研發(fā)，現(xiàn)在的像素尺寸已經(jīng)比早年小了許多。早年前，單像素尺寸為 2.0μm，而今年2月份，國(guó)內(nèi)CIS芯片廠商豪威科技正式宣布，實(shí)現(xiàn)了世界最小0.56μm像素技術(shù)。
但是，像素做得越小，同工藝下其感光能力就越差。雖然單像素尺寸在縮小，但是像素?cái)?shù)量增加的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單像素縮小的幅度。像素做不小，整個(gè)CIS芯片自然也就做不小。
因此，CIS芯片并沒(méi)有遵循摩爾定律，越做越小。相反，CIS芯片的尺寸依舊在增長(zhǎng)。以手機(jī)市場(chǎng)為例，一些品牌的高端旗艦機(jī)因?yàn)橐非蟪上裥Ч?，多采用高像素的方案，搭載的CIS芯片尺寸越來(lái)越大，這也導(dǎo)致了手機(jī)攝像頭的尺寸越來(lái)越大，甚至占滿手機(jī)背面1/3的位置。
CIS芯片也講3D堆疊
背照式結(jié)構(gòu)和3D堆疊式結(jié)構(gòu)的發(fā)展推動(dòng)了CIS芯片的發(fā)展。
背照式的電路層位于感光二極管的后面，可以避免金屬走線、晶體管的影響，增加感光像素的進(jìn)光量，就算是面對(duì)光線比較暗的場(chǎng)景，也能拍攝畫(huà)質(zhì)高的影像。
背照式結(jié)構(gòu)推動(dòng)了堆疊式CIS芯片的發(fā)展，第一代堆疊式CIS芯片使用TSV工藝將傳感器芯片連接到邏輯芯片。CIS芯片的堆疊結(jié)構(gòu)使得可以針對(duì)像素單元和電路單元分別構(gòu)建芯片并進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，因此像素單元可針對(duì)高畫(huà)質(zhì)優(yōu)化，電路單元可針對(duì)高性能優(yōu)化。
隨著堆疊技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，3D堆疊也應(yīng)運(yùn)而生，上層為背照式CIS芯片，中層為DRAM，下層為邏輯外圍電路。DRAM用作具有高傳輸帶寬的幀存儲(chǔ)器和圖像數(shù)據(jù)的臨時(shí)緩存器，每一層通過(guò)TSV連接，像素輸出信號(hào)通過(guò)像素陣列外圍區(qū)域中的兩級(jí)TSV連接到邏輯電路。將數(shù)字轉(zhuǎn)換后的圖像數(shù)據(jù)從下層的邏輯電路傳輸?shù)叫酒虚g層的DRAM芯片進(jìn)行存儲(chǔ)。DRAM層作為一個(gè)臨時(shí)儲(chǔ)存區(qū)，能夠加速像素讀出掃描，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高速拍攝。
CIS芯片與AI的逐步融合
Yole Développement認(rèn)為CIS芯片的技術(shù)趨勢(shì)是將AI與CIS芯片集成。
行業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的CIS芯片+AI的模式有兩種。
第一種是將CIS芯片與AI計(jì)算相結(jié)合，CIS芯片除了可以輸出圖像，還可以直接輸出AI算法計(jì)算的結(jié)果，這種模式的特點(diǎn)是低功耗的人工智能分析，多應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴式智能設(shè)備；第二種是為AI應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的CIS芯片，此類CIS芯片輸出的內(nèi)容和方式與傳統(tǒng)的CIS芯片有區(qū)別。這類CIS芯片它突破了傳統(tǒng)CIS芯片固定幀率的特性，可支撐一些重要的工業(yè)和智能車應(yīng)用。
近年來(lái)，一些CIS芯片廠商為其CIS芯片產(chǎn)品融入AI算力，例如索尼。
2020年5月，索尼宣布發(fā)布IMX500和IMX501，據(jù)稱是世界上第一款配備AI處理功能的CIS芯片。該CIS芯片本身包含 AI 處理功能，可以實(shí)現(xiàn)高速邊緣AI處理和僅提取必要的數(shù)據(jù)，從而在使用云服務(wù)時(shí)減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，解決隱私問(wèn)題，并降低功耗和通信成本。新產(chǎn)品旨在用于零售和工業(yè)設(shè)備行業(yè)的各種應(yīng)用，并有助于構(gòu)建與云連接的最佳系統(tǒng)。
CIS芯片應(yīng)用走向何方？
Counterpoint預(yù)測(cè)，受智能手機(jī)、汽車、工業(yè)和其他應(yīng)用需求增長(zhǎng)的推動(dòng)，2022年全球CIS芯片市場(chǎng)銷售規(guī)模預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)7%，達(dá)到219億美元。
而針對(duì)不同細(xì)分市場(chǎng)的表現(xiàn)，Counterpoint表示，手機(jī)市場(chǎng)作為最大的CIS芯片終端市場(chǎng)，預(yù)計(jì)將在2022年貢獻(xiàn)整個(gè)市場(chǎng)總收入的71.4%，其次是汽車（8.6%）、監(jiān)控（ 5.6%）、數(shù)碼相機(jī)（3.1%）、PC/平板電腦（3%）和工業(yè)（2.9%）。
從手機(jī)市場(chǎng)來(lái)看，手機(jī)是CMOS圖像傳感器的最大應(yīng)用市場(chǎng)，雖然手機(jī)銷售動(dòng)能放緩，但手機(jī)搭載三顆以上相機(jī)的多鏡頭設(shè)計(jì)已是主流，受益于此，手機(jī)CIS芯片銷售額持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Strategy Analytics數(shù)據(jù)顯示，2021年全球智能手機(jī)CIS芯片市場(chǎng)營(yíng)收為151億美元，與2020年相比增長(zhǎng)了3%以上。
多年來(lái)，該市場(chǎng)由索尼領(lǐng)導(dǎo)，其次是三星和豪威。其中，索尼以45%的收入份額居首，三星占26%，豪威占11%。2021年，這前三大供應(yīng)商在全球智能手機(jī)圖像傳感器市場(chǎng)占據(jù)了近83%的收入份額。
從汽車市場(chǎng)來(lái)看，隨著汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢(shì)，汽車市場(chǎng)已經(jīng)成為CIS芯片銷售的第二增長(zhǎng)極。車載CIS芯片需求的快速增長(zhǎng)得益于智能駕駛在汽車領(lǐng)域的普及，除此之外，還有車載攝像頭數(shù)量增加、標(biāo)配倒車影像。
根據(jù)Yole Développement的數(shù)據(jù)，2020年全球車載CIS芯片市場(chǎng)的營(yíng)收額達(dá)到14.4億美金，占整體CIS芯片年?duì)I收的7%，預(yù)計(jì)到2026年車載CIS芯片出貨量將達(dá)到3.64億顆。
安森美是車載CIS芯片行業(yè)的龍頭企業(yè)，市場(chǎng)占有率達(dá)到60%，在車載CIS芯片行業(yè)占據(jù)壓倒性地位。豪威在車載CIS芯片市場(chǎng)排名第二，且在2018-2019年間市場(chǎng)份額上升9%。除了上述兩大玩家，索尼和三星作為車載CIS芯片領(lǐng)域的后來(lái)者，發(fā)力較晚。索尼在2015年宣布進(jìn)入車載CIS芯片市場(chǎng)，三星則到2021年才進(jìn)軍車載CIS芯片市場(chǎng)。
再來(lái)看安防市場(chǎng)，根據(jù)Frost&Sullivan統(tǒng)計(jì)，2020年安防監(jiān)控領(lǐng)域CIS芯片的出貨量和銷售額分別為4.2億顆和8.7億美元，分別占比5.4%和4.9%。未來(lái)隨著安防監(jiān)控行業(yè)整體市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì)2025年出貨量和銷售額將分別達(dá)到8.0億顆和20.1億美元，占比將分別上升至6.9%和6.1%，預(yù)期年均復(fù)合增長(zhǎng)率分別為13.75%和18.23%。
2020 年國(guó)內(nèi)公司思特威在安防領(lǐng)域CMOS圖像傳感器出貨量達(dá)到1.46億顆，出貨量位居全球第一。業(yè)績(jī)方面，2021 年公司實(shí)現(xiàn)營(yíng)收26.89億元，同比增長(zhǎng)76.10%，歸母凈利潤(rùn)3.98 億元，同比增長(zhǎng)229.23%。
CIS芯片產(chǎn)業(yè)鏈走向何方？
據(jù)Counterpoint數(shù)據(jù)，從頭部的CIS芯片供應(yīng)商所占的營(yíng)收份額來(lái)看，預(yù)計(jì)索尼將在 2022 年獲得 39.1%收入份額，排名第一；其次是三星（24.9%）、豪威科技（12.9%）、格科微（4.7%）、安森美（4.5%）、SK海力士（3.6%）、意法半導(dǎo)體（2.5%）和思特威（2.3%）。
與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈相同，CIS芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈主要分為設(shè)計(jì)、代工和封裝測(cè)試三個(gè)環(huán)節(jié)，由于CIS芯片的像素層的設(shè)計(jì)工藝類似于模擬芯片，對(duì)制造工藝的要求較高，所以索尼、三星等龍頭企業(yè)采用IDM模式，其他一些企業(yè)多采用Fabless模式。
主要CIS芯片廠商對(duì)比
出貨跟上需求
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)苦于產(chǎn)能不足久已。
索尼、三星、SK海力士這些IDM廠商都為了提高代工產(chǎn)能使出渾身解數(shù)。
2020年，索尼就計(jì)劃在未來(lái)3年內(nèi)投資7000億日元用于擴(kuò)建新廠房；三星和SK海力士則紛紛宣布挪出部分DRAM生產(chǎn)線來(lái)滿足CIS芯片生產(chǎn)需求。
除了建廠挪產(chǎn)線擴(kuò)產(chǎn)外，索尼和三星也積極與代工廠合作。
今年1月份消息，索尼與臺(tái)積電擴(kuò)大合作。雙方除了將在日本熊本合資設(shè)立晶圓廠，索尼在自有產(chǎn)能明顯不足情況下，將擴(kuò)大采用臺(tái)積電產(chǎn)能量產(chǎn)CIS芯片，其中像素層芯片將首度交由臺(tái)積電生產(chǎn)。
三星與聯(lián)電也簽署了合作協(xié)議，將擴(kuò)大生產(chǎn)CIS芯片，并啟動(dòng)自己出資買設(shè)備、聯(lián)電提供廠房并代工運(yùn)營(yíng)的全新合作模式。
SK海力士采用了相同的策略，將舊的DRAM工廠轉(zhuǎn)變?yōu)镃IS芯片的產(chǎn)能。
CIS芯片出貨量大、行業(yè)規(guī)模壁壘較高，尤其是手機(jī)CIS芯片需要廠商先具備一定規(guī)模的供應(yīng)能力才可能獲得主流品牌訂單。
而對(duì)于Fabless廠商來(lái)說(shuō)，若晶圓、封裝價(jià)格大幅上漲，或由于晶圓供貨短缺、封裝產(chǎn)能不足等原因影響公司的產(chǎn)品生產(chǎn)，將會(huì)對(duì)公司的盈利能力、產(chǎn)品供應(yīng)的穩(wěn)定性造成不利影響。
IDM和Fab-Lite模式將成為CIS芯片龍頭未來(lái)發(fā)展的較好選擇，擁有代工廠或者與先進(jìn)代工廠深入綁定的公司更有競(jìng)爭(zhēng)力。
技術(shù)迭代與全面布局
CIS芯片的更新?lián)Q代和新應(yīng)用場(chǎng)景層出不窮，廠商必須保持持續(xù)的研發(fā)創(chuàng)新，根據(jù)最新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)需求持續(xù)進(jìn)行產(chǎn)品迭代；此外，廠商也必須對(duì)主流技術(shù)迭代趨勢(shì)和場(chǎng)景應(yīng)用的市場(chǎng)空間保持較高的敏感度，才能及時(shí)把握技術(shù)發(fā)展的大方向。但如果公司在新的應(yīng)用領(lǐng)域業(yè)務(wù)拓展速度不及預(yù)期，或者相關(guān)技術(shù)研發(fā)進(jìn)度不及預(yù)期，或?qū)?huì)對(duì)公司經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)?cè)鏊賻?lái)不利影響。
