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索尼CMOS图像传感器的王座,还能坐多久?

前不久,Yuanta Research发布相关全球CIS(CMOS图像传感器)的市场数据,指出其整体市场规模仍在快速增长。

这份数据列出了2018年CMOS图像传感器市场的几名主要玩家,包括将近一半市场份额的索尼,及其后的三星、豪威(Omnivision)、SK海力士、安森美(ON Semi)[1]。

索尼在这一市场的统领地位已经持续数年。包括苹果iPhone、OPPO、华为等在内的绝大部分高端拍照手机,都采用索尼的CMOS图像传感器。华为P30 Pro后置四摄(包括ToF摄像头)图像传感器都来自索尼,让P30 Pro一举成为现如今拍照最出色的手机设备。

从Yole Development去年9月发布的报告来看[2],按收益统计该市场排名前五的市场参与者中,索尼的市场份额相当于后4名市场份额总和。这个趋势看起来都还有长期持续的意思,索尼在该市场的头把交椅真能持续这么久吗?

CMOS图像传感器市场现状

Yole的报告显示,2017年CMOS图像传感器市场规模为139亿美元,预计2017~2023年的复合年增长率为9.4%,5年后会超过230亿。包括摄像头驱动机构、光学镜头、3D交互在内的全套生态系统也因此被带动成长。

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该市场最核心的组成部分是智能手机,汽车、安防也是另外两个重要增长点。其中移动消费计算市场,占到总收益的87%。无论从量,还是收益来看,CMOS图像传感器市场都在快速成长。

尽管当前手机市场趋于饱和,但由于这两年双摄像头乃至多摄像头、大光圈,以及3D深度摄像头的应用,这些新技术都在持续为CMOS图像传感器市场发力——消费市场的摄影应用依然呈现出多样化态势。尤其这些年智能手机市场的竞争和厮杀还在加剧,为了保有竞争力,CMOS图像传感器制造商不得不在手机摄像头中融入新的技术和特性。

预计到2022年,一款手机的平均摄像头数量就会超过3个。手机的前置双摄还在加速这一过程。另外,虚拟现实应用,如3D感知即将迎来爆发期。

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在持续数年的时间里,CMOS图像传感器市场是长期被索尼、三星和豪威(Omnivision)统治的。索尼毫无疑问拿下市场份额大头,在技术方面得益于索尼本身在数字摄影方面的优势。第二集团军则包含安森美、松下等。Yuanta今年的报告中[3],SK海力士是杀入主流市场的新玩家。这可能主要得益于SK海力士2014年收购的Siliconfle,并在2017年开始持续投入CMOS图像传感器。除了现如今豪威资本构成主体来自中国,中国本土在该市场尚有很大的努力空间。

高端领域如汽车、工业市场,一直是美国的安森美、Teledyne的天下。但即便在成长空间依然很大的前提下,该市场近两年的情况相对稳定,新晋玩家的机会并不大。

索尼是如何坐稳头把交椅的

索尼作为一家老牌企业,上世纪在科技行业贡献了大量标志性产品,比如Walkman、特丽珑电视。但迈入2000年以后,尤其从2008年开始,其营业利润率开始持续走低,反复在0%附近震荡。2013年,索尼市值折半,甚至还赶不上Facebook当年收购Whatsapp的价格。这个时间段互联网上戏谑的声音反复在问“索尼今天破产了吗”,这是因为除了索尼金融业务在托底之外,各个业务线都相当惨淡。

2013年,索尼营业利润下滑九成。不过在这段时间前后,索尼的其中一项业务开始出现明显的增长迹象。看索尼2012财年报告:这里需要抛开金融服务(主体为保险)、影像/音乐(如哥伦比亚影业市场在欧美),除了游戏(Game)业务表现一贯不错之外,有个名为“Devices”的业务营业利润开始呈现出黑字,而且营收能力在整个索尼达到数一数二的程度。在Devices类别中占据大头的就是索尼的图像传感器。

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来源:索尼2012年报[4](注:其中标注的2013实则为截至2013年3月的索尼2012财年)

2014年索尼的营收情况依然是不乐观的[5],营收增量很大程度来源于日币贬值。不过Devices业务营收增幅达到23.9%,营业利润931亿日元(约合7.76亿美元),利润率大约接近10%,对持续赤字的索尼而言可谓一剂良药。

我们再来看一下现在索尼图像传感器业务的情况如何。

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来源:索尼2018年报[6]

当前索尼图像传感器业务在半导体(Semiconductors)业务下。索尼现在甚至还习惯在财报中,将图像传感器单独列出来。虽然2018年全年,半导体业务整体利润下滑,但利润率依然很高,且图像传感器为该业务贡献了超过80%的营收。虽然赚钱基数低于游戏业务,但其利润率在整个索尼都是绝无仅有的。这也和行业老大的地位完全相符。

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来源:索尼2018年报

从索尼的财报来看,图像传感器业务几乎可以认为是当代索尼表现“技术”的核心和象征,也是盈利的支柱之一。不过实际上,索尼开始看重图像传感器业务却并不是从近两年才开始的。早在2010年,索尼图像传感器市场份额不过区区7%,当时的市场第一还是美国的Aptina Imaging[8]。不过这一年索尼做了个很重要的决定。

2010年9月,索尼宣布计划在索尼半导体九州公司的熊本技术中心投入400亿日元[7],为“Exmor”和“Exmor R”CMOS图像传感器扩增产量。同年年底,索尼宣布在长崎技术中心投入1000亿日元扩产。这项计划包括投入到,从东芝收购的半导体制造设备,以及将部分设备翻新为新的晶圆产线,借由“专利技术实现索尼CMOS图像传感器的差异化竞争”。

2011年,iPhone 4S开始正式采用索尼的Exmor R图像传感器,此后所有iPhone及iOS设备摄像头都在用索尼的CMOS图像传感器。除了索尼在技术方面的确相较竞争对手有优势,苹果亦可谓是索尼CMOS图像传感器业务的贵人。Yole分析师Pierre Cambou就认为,iPhone对于半导体行业有着巨大的影响,尤其是成像。“它为主要供应商索尼提供了机会,令CIS工艺达到新的高度,建立了索尼在高端数字成像领域的早期成长”。

2018年彭博社曾撰文称[9],索尼的图像传感器营收中有一半是来自苹果。这个比例听起来或许比较夸张,但至少可以表明苹果对索尼半导体业务的重要性。

2015年年底,索尼以1.55亿美元收购东芝图像传感器业务之后,索尼的市场统治地位就彻底形成了。

除了技术,还是技术

索尼在现如今手机拍照领域的一家独大,与索尼原本在影像领域的经验和技术开发是分不开的。去年索尼向市场推出IMX586图像传感器,让手机摄像头分辨率跃升至4800万像素。随后位处市场第二的三星也发布了标称4800万像素的GM1图像传感器。

当时国内还就这两款图像传感器,掀起过“真假4800万像素”的讨论。起源是索尼IMX586支持输出4800万全尺寸照片,而三星GM1(S5KGM1)默认输出1200万,只能插值计算出4800万像素的照片,解析力也有差距。实际上,两者的光电二极管的确都是4800万,且都采用Quad Bayer阵列像素排列。

区别在于,索尼IMX586在图像传感器Stack Sensor部分的图像处理硬件首先会进行Remosaic操作,随后再将拍摄的RAW格式数据传输给手机SoC的ISP部分进行常规图像处理操作。从索尼公布的数据来看,IMX586能够实现30fps的Remosaic操作。但三星GM1只能实现30fps的1200万像素binning操作。

这其间的ISP处理算法,以及高速模拟读出电路设计还是存在代差的。即便是三星前不久才推出的GM2 4800万全尺寸输出帧率也不过10fps,即便不考虑像素设计方面的差异,三星或许仍然在模拟电路设计上略逊一筹。这只是索尼技术相较竞争对手领先的一例,而且三星近两年已经试图在全速追赶,才好不容易坐稳了市场份额第二的位置。

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来源:TechInsights[10]

TechInsights今年3月公布的数据显示,图像传感器领域,索尼拥有的专利数量最多,三星紧随其后。整体布局与当前的市场份额是完全相吻合的。

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来源:TechInsights

而在相关专利布局上,索尼在模拟和数字领域的专利积累都比较丰富,其中蓝点代表的是电路方面的专利,黄色则为制程工艺。像素、封装和材料方面的专利,在竞争对手间也有优势(虽然这部分还是没有台积电经验丰富,尤其工艺方面)。

早在2007年,索尼推出首款Exmor图像传感器时,每个像素都有独立的ADC,在CMOS图像传感器上实时完成模数转换。这么做可以有效减少噪声,很快就在低感噪声表现方面将同时期的佳能远远甩在身后。随后在Exmor R和RS产品中,分别将“背照式”和“堆栈式”图像传感器在手机摄像头上普及:包括将位于Bayer阵列滤镜和光电二极管之间存在的大量金属连线转移到光电二极管背面,以及将光电二极管阵列周围的大量电路移到背面,对图像传感器的发展都具有重大意义。

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前年索尼在ISSCC2017提到了一种三层结构的堆栈式CMOS图像传感器,将DRAM阵列加入到中间层。这么做能够提升数据读取速度。Yole在报告中还特别提到,多层堆栈和混合堆栈的图像传感器会成为未来的趋势。这类技术为高速摄影和全像素相位对焦提供了助力,比如现如今非常普及的960fps超高速拍摄,已经在手机中普及。

索尼的隐患

就这些分析看来,索尼现如今在CMOS图像传感器领域的地位已经高枕无忧了。索尼该业务的确还会在未来一段时间内持续增长,毕竟技术投入和积累都不缺席,索尼在财报预期中也提到了该业务的成长。今年年初,索尼宣布计划在未来三年内,就其“高级业务”投入6000亿日元,进一步促进CMOS图像传感器的产量[11]。

不过索尼芯片业务负责人清水照士早前在接受路透社采访时就曾经说过:“很显然我们现如今是依赖于智能手机市场的。固然市场从单摄转向双摄对我们是有利的,在市场增长也就一两个百分点的情况下,这又能持续多久呢?”

目前索尼的图像传感器业务大约80%都依赖智能手机。所以在策略转向上,索尼已经预期2025年将这部分的份额控制到70%,并将更多注意力集中到汽车和工业设备。不过我们认为,这个转变并不是这么容易执行的。如前文所述,汽车和安防是图像传感器的另外两个高速增长点。Yole的数据提到,整个CMOS图像传感器市场复合年增长率5年内在9.4%左右,而汽车和安防这一增速则分别在26%和21%。考虑到手机市场的确存在饱和的问题,市场热点正在发生偏移。

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来源:Credit Suisse[12]

但索尼在这两个领域是没有优势的。索尼的确在近两年努力获取市场,但安森美在该汽车CMOS图像传感器市场有着过半的份额,而且安森美具备Aptina早年的技术储备,拥有国资背景的豪威也在市场表现上优于索尼。而在安防市场上,安森美、豪威、三星、索尼和松下,在市场表现上都比较靠近。所以索尼在夺取新的市场时,是面临强大的竞争对手的。

除此之外,我们认为,索尼图像传感器至少在以下几个层面是存在隐患的。

第一,关键技术节点可能会导致现有市场领导者跌落神坛。

这种例子在2000-2017年上演过数次。图像传感器大约每3-5年就会有一个关键技术节点出现,如果在技术方向选择上出现失误,那么可能葬送整个产品业务。

2001年三洋在数码相机和手机市场上,图像传感器占据30%以上的市场份额。在三洋做技术方向选择时,毅然决然地认为CCD要优于CMOS,但随后的市场现状与三洋预测得完全相反,三洋因此在市场竞争中迅速萎缩。

同时代,IC media在被当时的海力士半导体兼并后成为全球最大的CMOS图像传感器制造商,但在3T向4T技术转向之际,做出了全然错误的技术选择,后来甚至还认为EDOF大有可为,因此彻底葬送了业务前途。所以索尼近年来对技术的方向把握都非常到位,这种判断力需要持续。

第二,苹果订单下滑带来影响。

虽然我们并不清楚索尼半导体对于苹果iPhone的依赖程度到底有多大,前文彭博社所述五成收益来源或有夸张成分,但苹果现如今在智能手机的市场份额和出货量正在持续下滑,苹果订单量的减少可能会对索尼造成很大的影响。

第三,排名第二的三星正在奋力追赶。

这两年,三星还在下血本加大旗下的ISOCELL图像传感器产量。今年5月,三星抢在索尼之前,发布了6400万像素1/1.72英寸的GW1图像传感器,这显然是针对索尼的新一波攻势。三星电子系统LSI事业部传感器事业组朴庸仁副社长接受媒体采访时说:“我认为,在2030年实现系统半导体的TOP1有点晚,我们传感器要在这之前实现TOP1!”

值得一提的是,在美国对华为下封杀令之时,国外媒体还特别探讨了在部分日常厂商断供华为的情况下,索尼是否会断供CMOS图像传感器。Jefferies分析师Atual Goyal预计,索尼图像传感器销售额中约有15%都来自华为。索尼高层并未回应断供传言。如果华为也从索尼的客户名单中“被消失”,那么这对索尼而言又是个坏消息。

  • [1]http://image-sensors-world.blogspot.com/2019/05/yanta-research-on-2018-cis-market-shares.html
  • [2]http://www.yole.fr/CIS_Proliferation.aspx#.XPXOldMzYk_
  • [3]http://file.mk.co.kr/imss/write/20190522113859__00.pdf
  • [4]https://www.sony.net/SonyInfo/IR/library/ar/Archive.html
  • [5] https://www.sony.net/SonyInfo/IR/library/presen/er/14q4_sony.pdf
  • [6] https://www.sony.net/SonyInfo/IR/library/presen/er/pdf/18q4_sonypre.pdf
  • [7] https://www.sony.net/SonyInfo/IR/library/ar/SonyAR11-E.pdf
  • [8] http://www.icinsights.com/news/bulletins/CMOS-Image-Sensors-Begin-Breaking-Sales-Records-Again/
  • [9] https://www.bloomberg.com/news/articles/2018-01-24/sony-falls-after-jpmorgan-downgrade-over-slowing-iphone-demand
  • [10] http://image-sensors-world.blogspot.com/2019/03/techinsights-image-sensor-slides.html
  • [11] https://asia.nikkei.com/Business/Companies/Sony-hunts-for-image-sensor-engineers-in-US-and-Europe
  • [12] http://image-sensors-world.blogspot.com/2019/05/credit-suisse-on-automotive-cis-market.html

 

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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