?這顆芯片從起源就是中國人在做,而今影響全世界!CMOS圖像傳感器35年史和中國人的關鍵貢獻 | 科技老兵戴輝

                  2022-09-20 08:18:28 來源:最牛博弈 作者:老兵戴輝
                  這顆芯片從起源就是中國人在做,而今影響了整個世界!


                  影像是全人類的旺盛需求,我們的生活被手機攝像頭徹底改變了。極具活力的中國市場引領了手機攝像技術的發展。


                  表達門檻大大下降。一張圖片一個視頻勝過千言萬語,一鍵即可分享。2012年4月19日,微信4.0版本推出了朋友圈功能。


                  這個世界真的有魔鏡。智能手機廠家在攝像頭上找到了讓年輕人追捧的”財富密碼“。


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                  圖注:動畫片《白雪公主和七個小矮人》


                  后攝從雙攝向多攝迅速,實現暗光(夜景)+防抖+廣角+HDR+虛化+長焦+變焦+微距+3D深度相機等多種組合功能,還能實現光學變焦和和景深拍攝等。用于自拍的前攝也有雙攝了!


                  借助AI技術,美白瘦臉大眼瘦身長腿,大老爺們甚至可以變裝為女人,也實現了智能場景拍攝和不知真假的“P月”。

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                  圖注:小視頻里,阿純通過AI成為小美女


                  掃碼支付實現了“無紙支付”,普及到了即使最偏遠的鄉間。我的錢包比臉還干凈,再找不到破開十元/百元后拿回一堆零鈔的快感了。


                  人類歷史上第一次有了通過手機直播的戰爭,影響了老百姓,反過來對戰爭又有影響。


                  今天講述的CMOS圖像傳感器(簡稱CIS)芯片便是手機攝像頭成像技術的核心。


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                  圖注:一顆CIS芯片


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                  圖注:手機攝像頭模組CCM (Camera Compact Module)結構(OPPO)

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                  圖注:iPhone 14 Pro Max的攝像頭模組 (源:PBK REVIEWS)


                  值得驕傲的是,CIS誕生和發展的三十多年里,來自中國的科技工作者們前赴后繼,做出了最為關鍵的貢獻。這是一個很長的故事,里面有矢志不渝的堅守,有精誠合作的團隊,有驚心動魄的瞬間,也有千載難逢的機緣。


                  故事發生在愛丁堡大學(1987-95年,東大訪問學者王國裕和陸明瑩伉儷為最關鍵研發人員,VVL為意法ST收購),在硅谷(1995年,上交大55屆洪筱英創辦豪威科技(Omnivision),一些清華留學生合伙創業,為韋爾收購),在西安(1995年,王國裕歸國創業,努力至今),在上海(格科微GalaxyCore趙立新、思特威SmartSens徐辰、芯視達CISTA杜崢等創業者們)......


                  CIS是一顆可以在中國大陸獨立發展的芯片,因為都是基于成熟制程(區別于先進制程)。2020年,國際分析機Yole曾指出,中國大陸或有希望首先在CIS領域實現技術獨立。2021年,Yole繼續指出:China becomes an image sensor land。


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                  如果按數量計算,中國大陸已經排名第一。2020年,全球生產了70億顆CIS,,七成用于手機。2021年出貨13.億支智能手機,每支配多個攝像頭,大家調侃為“浴霸、蓮蓬頭、花灑、蜂窩煤、麻將牌”,還怕有“密集恐怖癥”,連兒童手表也沒被攝像頭放過。


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                  圖注:網友調侃攝像頭是麻將牌



                  傳統光學巨頭和中國手機廠家合作。徠卡先后和華為、小米(首推上億像素)合作,OPPO旗下一加攜手哈蘇,蔡司從與諾基亞合作轉向和VIVO合作。他們主要是調校系統。


                  2020年,CIS市場總金額為207億美元,2021年為213億美元。


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                  圖注: CIS份額(按金額算)(源:YOLE)


                  全文1.4萬字,長文慎入。


                  第一章、膠片相機從繁榮到沒落


                  肖像畫歷史久遠,畫工毛延壽故意不畫出王昭君之美。


                  1839年8月19日法國畫家路易·達蓋爾發明了世界上第一臺真正的照相機。清末,照相機進入了中國大地。


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                  圖注:電影《黃飛鴻》中的十三姨和她的寶貝相機


                  80年代,我們兄弟倆還在讀小學時,父親任教的九都山學校組織看岳陽樓,這是我們第一次出遠門,感受這“浩浩蕩蕩,橫無際涯“。有位小戴老師有相機(海鷗或鳳凰),還會暗室沖洗照片。少年的我甚是羨慕,也夢想有個相機,但不知道“何年何月能得償所望”(星爺鹿鼎記臺詞)。


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                  圖注:岳陽樓黑白仰拍


                  上世紀末參加工作后,我夢想成真,買過國貨,也買過奧林巴斯。不過,膠卷相機的沒落也進入了倒計時,有道是:夕陽無限好,只是近黃昏。2003年的最高峰,全球賣出了近十億個膠卷,從此開始走下坡路,直到歸于塵埃。


                  如今,富士膠卷奇跡般成功地轉型醫療材料廠家,柯達膠卷在 2012 年申請破產重組,在新冠疫情中傳說獲得美國政府貸款進入制藥行業??逻_居然還是第一個發明數碼相機的廠家,令人不勝唏噓。


                  可以馬上出照片的“立拍得”還有一些市場,但因為照片品質不高,也就和玩具無異了。


                  第二章:美國發明CCD和數碼相機,日本發揚光大


                  1、貝爾實驗室發明CCD,獲得諾貝爾獎


                  1948年,貝爾實驗室(現Nokia Bell Labs)發明了晶體管。1954年,東通工(索尼前身)學習到該技術,并在收音機上發揚光大。這樣的故事在CCD上重演了。


                  1969年,貝爾實驗室里發明了電荷耦合元件(Charge-coupled Device,簡稱 CCD)的發明。CCD作為半導體固態圖像傳感器,是將“光”的信息轉換成“電”的信息的魔術師,實現了用電子捕獲光線(光可被電子化捕捉)。兩位美國科學家Willard S. Boyle和George E. Smith獲得了2009年度的諾貝爾物理學獎。


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                  圖注:戴輝于諾基亞貝爾實驗室拍攝的原始CCD芯片


                  2、美國柯達率先做出數碼相機


                  1973年,美國硅谷的Fairchild(仙童科技)制成了商用CCD圖像傳感器,標志著CCD從實驗室走向市場,進入了實用階段。

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                  圖注: 美國仙童科技第一枚商用CCD(1萬像素)


                  1975 年,柯達公司的工程師史蒂文?塞尚(Steven Sasson)使用上述仙童公司(Fairchild)的CCD 元件以及柯達零件倉中的零件,制造了一個 8 磅重的設備,而該設備可提供 1萬像素的黑白圖像。這是第一部數碼相機,取代了只能使用傳統底片攝影的功能,開啟了影像產品的數字時代。遺憾的是,柯達擔心新技術會顛覆其強大的膠卷產業,技術跟進不力。手握著一把好牌,打沒了。

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                  圖注:柯達發明數碼相機


                  3、日本投入巨大,發揚光大


                  1973年,索尼的越智成之實現用64像素畫了一個粗糙的“S”。曾任索尼的美國分社長、時任索尼公司副社長兼索尼中央研究所的所長巖間慧眼識英雄。1973年11月,CCD立項,成立了以越智為中心的開發團隊。巨大投入之后,1978年3月制造出了支持11萬像素的芯片。1981年,索尼推出了馬維卡(MAVICA)相機,它成為全球第一臺向市場發布的數碼相機,其傳感器的像素達到28萬左右。1985年1月,索尼誕生了第一臺CCD便攜式攝像機M8,這是當時世界上重量最輕的只錄攝像機,重量不到1KG。真是漫漫長途??!


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                  日本的各大公司把握技術革新的時機,占領了數碼相機市場,創造出各種品牌數碼相機和攝影機。


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                  4、數碼相機和DV從繁華到沒落


                  進入新世紀后,數碼相機浪潮興起了。我在2001年首次使用奧林巴斯數碼相機。之后購入了索尼Cybershot,甚至還有了一幅獲獎攝影作品。


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                  圖注:夕陽下的船 戴輝04年攝于巴厘島


                  2009年之前,先后購入日本JVC的DV(磁帶存儲)、韓國三星DV(光盤存儲)及佳能單反,本準備大展宏圖拍點傳世佳作,沒承想這卻成了最后的瘋狂。


                  技術的劇烈變革真是觸目驚心。2017年10月,尼康位于無錫的數碼相機工廠宣布關閉;2018年5月,奧林巴斯深圳工廠關閉;2022年1月,佳能位于珠海的相機工廠關閉。


                  值得一提的是,光學巨頭奧林巴斯業務目前的八成收入來自醫療設備(內窺鏡),瘦死的駱駝比馬大。


                  現在的智能手機,拍照和拍視頻很方便,下至幼童上至花甲老人,都玩得很溜。我的DV和單反就一直在床底下蒙塵了,直到再也無法開機。


                  換個角度來看,被智能手機碾壓了的電子產品又何止只有它們?輝煌數十載的日本消費電子品牌們從此沒落。

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                  第三章:愛丁堡單片CIS開創了新時代,中國學者伉儷是主要設計者


                  1、為什么要發展CMOS技術


                  CMOS(互補金屬氧化物半導體Complementary Metal Oxide Semiconductor)目前是世界上最主流的芯片技術路線,CPU、GPU、手機處理器等都廣泛采用這個工藝。CMOS工藝跟隨著摩爾定律發展,集成度越來越高(如7納米、5納米),功耗也越來越低,也可做模數混合。


                  單片集成是CMOS圖像傳感器最牛逼的地方。圖像傳感與圖像采集、模數轉換、信號處理等后續功能集成實現在單顆芯片上(片上系統SoC),因此數碼鏡頭可以做得體積小、功耗低、成像快、價格便宜。上億像素的手機已經比比皆是,最近看到居然有兩億像素了。


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                  圖注:CCD則輸出模擬信號供后續處理,CMOS傳感器可直接輸出處理后的數據(源:COVENTOR)


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                  圖注:CMOS圖像傳感器單片集成電路(ASIC)示意圖


                  隨著機器視覺系統從傳統板級式向小型智能系統的發展,CMOS圖像傳感器(簡稱CIS)替代了CCD成了最后的大贏家。


                  早在2006年,曾在索尼從事研發工作的米本和也在所著《CCD/CMOS圖像傳感器基礎與應用》一書的引言中寫得很清楚:到 90 年代初,CCD 技術已比較成熟,得到非常廣泛的應用。但是隨著 CCD 應用范圍的擴大,其缺點逐漸暴露出來。首先,CCD 技術芯片技術工藝復雜,不能與標準工藝兼容。其次,CCD 技術芯片需要的功耗大,因此 CCD 技術芯片價格昂貴且使用不便。目前,最引人注目,最有發展潛力的是采用標準的CMOS技術來生產圖像傳感器,即 CMOS 圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器芯片采用了 CMOS 工藝,可將圖像采集單元和信號處理單元集成到同一塊芯片上。由于具有上述特點,它適合大規模批量生產,適用于要求小尺寸、低價格、攝像質量無過高要求的應用,如保安用小型和微型相機、手機、計算機網絡視頻會議系統、無線手持式視頻會議系統、條形碼掃描器、傳真機、玩具、生物顯微計數、某些車用攝像系統等大量商用領域。20 世紀 80 年代,英國愛丁堡大學成功地制造出了世界上第一塊單片 CMOS 圖像傳感器件(備注:ASIC IMAGE SENSOR)。目前,CMOS 圖像傳感器正在得到廣泛的應用,具有很強的市場競爭力和廣闊的發展前景。


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                  圖注:圖像傳感發展歷程中1990年愛丁堡單片ASIC是關鍵轉折


                  從CCD圖像傳感器到CMOS圖像傳感器(CIS)的關鍵一跳感覺好像不遠,但其實并不容易,正如那金沙江(長江上游)的虎跳峽。我曾在那里徒步幾日,若不小心,就可能掉下懸崖。


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                  2、愛丁堡大學開辟CIS新時代,榮獲蘭克獎


                  20世紀80年代末,數碼相機高達數千美元一臺,日本電子業雄霸天下。歐美想逆襲,唯有圖謀“彎道超車”。


                  1989 年,英國愛丁堡大學的Peter Denyer教授、David Renshaw博士,和當時在愛丁堡大學做科研的王國裕和陸明瑩聯袂發表了一篇論文,報道了CMOS 圖像傳感器(CIS)的工作。1990年底,芯片流片成功,隨后成功演示了世界上第一臺單芯片 CMOS 攝像機,從此開創了一個新世界。


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                  圖注:愛丁堡大學網(css.eng.ed.ac.uk/history)


                  愛丁堡大學之后,才有了后來美國、日本、中國跟進的研究和產業行為。


                  2008年2月4日舉行的蘭克獎(Rank Prize)頒獎儀式上,四位科研人員因為CMOS圖像傳感器上的重大貢獻而獲此殊榮。


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                  圖注:左二王國裕、左三、陸明瑩、右三Peter Denyer、右二David Renshaw


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                  The Rank Prize是面向世界的光電子和生命科學領域的頂級的科學獎,雜交水稻之父袁隆平和光纖通信之父高錕先生曾獲得。

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                  圖注:獲獎事跡介紹


                  3、王國裕和陸明瑩的國內學習和工作生涯


                  科技老兵戴輝輾轉聯系上了王國裕教授,了解到了一個LONG STORY,請聽我細細講起。


                  王國裕于77年冬天恢復高考后以優異成績從泰州(當時還屬于揚州)考入東南大學(注:1988年以前名為南京工學院)電子工程系半導體與集成電路設計與制造專業(63771班),他的嫡親兄長于WG前考上了清華大學電機系。陸明瑩于南京同期考入,她的父親是畢業于原民國中央大學和密歇根大學的陸鐘祚教授,抗戰期間,陸鐘祚研制并生產的3000瓦歸航機和參與研制并生產的400瓦地-空對講機均成功地用于中國空軍的對日作戰。


                  出生于同年同月(1954年5月)的他們入學時已然24歲了,兩人因成績并駕齊驅而”惺惺相惜“,發展出”地下戀情“。1982年畢業之后,王國裕以優異成績考上了清華大學微電子所的研究生,陸明瑩則在東大繼續讀研。期間在陸家舉行了簡單的婚禮,證婚人是錢鐘韓(錢鐘書堂兄弟)。


                  84年,雙雙在東大任青年教師。緊隨世界潮流,他們是國內最早一批使用EDA進行集成電路正向設計仿真和推廣的科研工作者,王國裕還應邀赴908項目之無錫華晶集團做學術報告。1988年,東南大學出版社出版了他們所著的《SPICE-II通用電路分析程序使用方法及其應用》,這是國內第一部系統介紹EDA應用的書籍,影響了一代芯片設計人。


                  改革開放后,中國半導體科研界一步到位和國際接軌。王國裕在東大的本科畢業設計就是一顆成功工作的小規模集成電路。研究生就讀的清華大學微電子學研究所里有一條集成電路工藝線。王國裕采用SPICE進行正向設計和仿真,并流片得到了運算放大器樣品,將“紙上談兵”變成了完整的實踐,后來發表了論文《MOS模擬集成電路的噪聲分析和低噪聲設計》,老師則有南德恒、李志堅、楊之廉等教授。


                  特別值得一提的是,王國裕在東大和清華,還有特別威水的地方,那就是各創立了一支管弦樂隊,并擔任指揮。


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                  圖注:王國裕擔任黃河大合唱指揮


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                  圖注:王國裕和指揮家中央樂團嚴良堃


                  插敘一下,科技老兵戴輝曾經也是文藝積極分子,在中山大學擔任研究生藝術團團長(兼跑龍套),還去華南理工演出過。

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                  圖注:穿越劇之“杜十娘流落到民國”,右一導演陳進


                  4、中國伉儷加盟愛丁堡團隊,選擇CIS方向奮斗


                  在教育部“中英獎學金計劃”安排下,王國裕得以在87年11月作為東大訪問學者來到了愛丁堡大學。加盟的團隊有兩位學術領頭人,大老板Peter Denyer教授和二老板David Renshaw博士。訪問學者沒有什么具體任務,比較自由。王國裕把所有課題捋了一遍,選擇了CMOS 圖像傳感器件的項目。這是一個探索性的課題,做過一些零星的研究,但尚未有任何進展和結論。據說日立嘗試用CMOS工藝來做但未能做不出來,以至于有一種結論是CMOS工藝不適合做成像器件,必須采用CCD工藝來做。王國裕接手后,一個一個問題進行分析和實驗,感覺有希望突破,這讓大家都興奮不已。1989年,陸明瑩作為東大訪問學者也來到了這里。


                  這個芯片極具挑戰性,設計過程是千難萬難,團隊四個人三天兩頭在一起討論。四個人是天作之合,再難的問題通過討論總有解決方案。這樣的組合和互補作用工作起來特別順暢,是一次難得的團隊協作。大老板掛帥,經常提出有見地的意見,在需要權衡取舍的時候,往往是他一錘定音。二老板是黏合劑和預備隊。在設計曝光控制電路時,一度曾卡住,王國裕和二老板苦思冥想數日,一天早晨不約而同地提出解決方案,思路居然一致,所畫的電路草圖也雷同,真有點不可思議,那天大家都異常興奮,喜悅難以言表。王國裕是芯片主設計,承擔了芯片主要部分如成像陣列和片上放大器的設計,提高放大性能是最關鍵的任務。王國裕有著特殊的藝術感覺和嚴謹的工作態度,在東大打下的堅實基礎和在清華使用SPICE的經驗,都起了很大的作用。數字控制和全電視信號產生部分則是陸明瑩完成的,她在算法方面有豐富經驗,之前設計電子琴芯片的經驗和技巧也派上了大用場。


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                  圖注:陸明瑩在愛丁堡實驗室的工作場景


                  5、驚心動魄的“搭橋手術”


                  王國?;貞浟诉@個故事。


                  “90年底是一個寒冷的冬季,第一個芯片終于流片回來了,初步測試一下居然沒有任何反應,手掌對著芯片移動,輸出波形卻紋絲不動,就是說這顆芯片是死的。


                  ”對于大家熱切的期望,這無疑是當頭一盆涼水,我把自己關在一個房間思考,終于想出來一個地方可能錯了,某一信號可能反了。趕快打開工作站,找到這一部分版圖檢查,果然是也。問題找到了,怎樣解決呢,總不至于再去流一次片吧,可否在芯片上修復?我們聯想到劍橋大學也許可以做這件事。東大的同學崔錚博士當時在劍橋大學做訪問學者,幾個月前我們去看望他時閑聊到他們有一個新設備,可以做微小尺寸的割斷和搭橋,當時并未在意,此刻在這個特殊情況下突然想起來,這是唯一的快速修復芯片錯誤的辦法。當即聯系崔錚,立即趕往劍橋,在火車上構思了割斷和搭橋的方案,當時并沒有成功案例可供參考,他們實驗室之前沒有做過這樣的事情。他們很協助、很幫忙,先割斷錯誤的電路連接,再搭橋實施正確的邏輯功能,相當于對芯片做了一次“搭橋手術”。做完后在現場用示波器做了初步測試,那個波形隨著手掌的移動又跳舞了,說明芯片“活”了。暴風雪中,我坐出租車下半夜回到愛丁堡,稍事休息,天亮便去學校。后面的測試便順風順水,一氣呵成,芯片測試板終于調出了清晰的視頻圖像,在顯示器終端上實時播放,這就構成了最初的CMOS成像演示系統。


                  “就這樣,在這個寒冬,愛丁堡大學研究成功了黑白CMOS單片圖像傳感器,為256X256(約5萬)像素,這是全球首創,引發了熱切關注,到實驗室來觀看實驗的人絡繹不絕?!?/span>


                  6、引發科研界與媒體劇烈反響


                  在巴黎舉行的歐洲學術會議Euro ASIC 91上,作為主設計師的年輕的中國學者王國裕上臺做了學術報告,首次報告了愛丁堡大學的重大技術突破:世界上第一個成功的單片CIS芯片,引起了代表們極大關注,該芯片榮獲了這個會議的“最佳電路獎”。


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                  圖注:第一顆CIS芯片、91年度的”最佳電路獎“、媒體報道


                  媒體期待未來有20英鎊的數碼照相機,并認為會沖擊日本電子產品,沒想到”一語成讖“。有關創新被后來所有的CMOS攝像芯片沿用和不斷更新,并申請了國際專利:“Solid State Image Device”。


                  無獨有偶,王國裕1991年9月撰寫的另一篇論文《芯片自動曝光控制技術》獲歐洲集成電路年會(ESSCIRC 91)授予的“最佳論文獎”。一個國際學術會議一般只評選一篇獲獎論文,他們的論文連續兩次獲獎,說明了當時學術界的高度評價。自動曝光控制對CMOS成像芯片的廣泛應用非常重要,是必須具備的一個功能,是他們首次實現并報告的,其技術上的實現亦有新意,把數字掃描與控制算法巧妙地結合起來,這個算法帶動了后來的一系列控制功能的開發,如“白平衡”…. 最終我們看到了現在手機照相那么簡便,有很多的編輯功能供用戶選用。


                  7、英國VVL公司大發展,中國人為核心研發人員


                  1990 年,在大學和風險投資的支持下,愛丁堡大學成立了大學衍生公司 VLSI Vision (VVL),以銷售單芯片攝像機設備并開發基于該技術的一系列新型成像設備。


                  王國裕擔任了VVL公司的VLSI設計部經理,1990-1994年間在英國共主持設計成功了8個攝像芯片。1993年3月,設計研發的“單片COMS攝像器件”獲蘇格蘭政府授予的“蘇格蘭政府獎”,這是一顆彩色CMOS芯片(單片集成電路)。


                  為尋求晶圓廠代工伙伴的支持,他前往臺積電歐洲總部進行匯報。之后臺積電啟動了CIS項目。


                  東南大學校長韋鈺訪問了愛丁堡大學,和他們親切交流。韋鈺的導師就是陸鐘祚教授。韋校長平易近人,94年我們班拍畢業照時,她已升任教育部副部長。我們系是她創辦的,因此沾光,我們班畢業拍照時,她坐一排正中。


                  VVL成功上市,并于1998年為意法半導體(ST Microelectronics)所收購,成立了該公司的新成像部門,以應對新興的手機攝像頭大眾市場。


                  8、后注:CMOS成為主流的硅基芯片工藝的過程中,有挺多故事

                  1976年,中國臺灣工研院與美國RCA公司簽訂《CMOS集成電路技術移轉授權合約》,第一塊芯片是電子表芯片,從此開始了中國臺灣的芯片事業,以至于今天到達世界之巔。1981年,IBM定義PC規格采用的INTEL8086就是用CMOS工藝。1982年 IBM的“Cheetah”原本計劃使用Bipolar ECL(邏輯發射極耦合邏輯電路emitter coupled logic)工藝 ,在1984年采用了CMOS技術,IBM的POWER CPU系列也大發展。2006年底,銳迪科微電子推出采用中芯國際 RF CMOS 工藝的FM收音機集成芯片,模數混合,火爆一時,一度成山寨GSM手機標配。2013-14年,卓勝微用臺積電RF-CMOS工藝做GPS低噪放,也是從山寨機起家。ODM公司(如華勤)可以帶動很多國產小芯片的驗證應用。


                  第四章、硅谷豪威受愛丁堡影響而創商業奇跡


                  1、豪威以愛丁堡的VVL公司為榜樣建立,目標市場是“電腦眼”


                  1995年的硅谷,一片欣欣向榮。


                  移動互聯網興起,PC產業迎來了高速發展的偉大動力。1992年,美國總統候選人比爾·克林頓提出建設信息高速公路,1993年它成為美國政府的建設計劃。1995年,中國CERNET(中國教育科研網開通),我們作為最早的中國網民,在中大的實驗室里用惠普PC興奮地上網沖浪,不小心連上了PLAYBOY。九十年代,以兼容PC為核心的電子產業快速發展,電腦城”攢機“是很多人共同的經歷,來自中國臺灣的主板很有名。


                  美國硅谷和中國臺灣都涌現出了華人芯片創業潮。英偉達成立于93年做PC顯卡,MARVELL成立于95年,做硬盤控制芯片。世界十大設計企業之四的聯發科(MediaTek)、聯詠(Novatek)、瑞昱(Realtek)和奇景(Himax)也都是依賴中國臺灣的PC相關產業起家的。


                  洪筱英(上交大55屆)和吳日正(畢業自中國臺灣中原大學)從80年開始就是摩托羅拉芯片業務(飛思卡爾)的好同事。Raymond Wu要小17歲,一直稱Shaw Hong為“老板”。有一個說法是:兩人相處的時間大概比許多夫妻在一起的時間都長。

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                  圖注:低調洪筱英在網上唯一的照片


                  95年,兩人結束了第一家聯手創辦的計算機應用芯片組公司HK Technology。創業未成功,但他們并未喪氣,在思索著下一步,要能看到三五年之后的趨勢。此時無論是CPU(中央處理器)、存儲器,甚至是計算機周邊產品都在飛速地進步,若計算機是一個“人”,那么“他”已是四肢健全,頭腦靈敏,但獨缺眼睛,它看不到外面的東西。沒錯,技術高、成本低的影像感應器單晶片便成了豪威要走的路,要讓產品有好的“眼睛”。創辦豪威時,最被質疑的是:“市場在那里?”而他們的答案總是:“我們要創造市場(create market),而不是替代日系的CCD市場(replace market)?!?/span>


                  OmniVision豪威起家的股東就來自中國臺灣,陳大同介紹過這個故事:“入伙”之后,另一個Co-Founder,中國臺灣來美的 Raymond Wu(注:吳日正),悄悄向俺吐露了一個驚天秘密:公司的啟動資金是他“連蒙帶騙”來的!當時,全世界只有一家英國創業公司(VVL)在研發CIS。Raymond神通廣大,不知從哪兒拿到了他們的工程樣品,然后擦去公司印記, 就冒充成了俺們OV公司的“研發樣品”。這種“樣品” 當然不敢在硅谷露面,于是,Raymond帶著它回到臺灣, 四處演示。最終,通過一個大學同學,認識了和成陶瓷 HCG(衛生陶瓷廠商)邱家的二少東,Stanley Chui。估計 人家也是馬桶做膩了,在Raymond的鼓動下,想玩玩高科技,于是投資200萬美元,成立了OmniVision。得知真相, 俺驚出一身冷汗,這上的是哪一條“賊船”呀!但上船容易下船難,還得硬著頭皮往下干。來自中國臺灣的富鑫、和通等科技創投基金、電腦品牌廠宏碁也陸續投資了豪威。華虹也進行了投資。


                  2、中國留美學生們一起努力奮斗


                  豪威的工程師團隊里面80%是華人,華人里面80%是留學生,團隊創造性極強,干活非常玩命。清華大學微電子所畢業生陳大同作為聯合創始人加盟了這家公司,還有何新平、劉軍、楊洪利、董其等清華人加入。東大系留學生杜崢等人也加入了。第一件事情就是看論文。


                  單記章回憶:印象最深的就是在最后測試代碼的時候,公司創始人洪筱英先生就坐在我的身后,緊緊盯著電腦的屏幕,洪先生50多歲開始創業,跟我現在創業(注:黑芝麻)時的歲數相當,身上的壓力很大,但我無暇感到緊張,因為一旦開始做事,就會全神投入,最后看到結果順利,洪先生才終于松了一口氣。


                  96年開始,全球有二三十家公司進入這個領域,不乏世界級芯片巨頭。


                  1997年,豪威推出首顆芯片(ASIC),并開始用于電腦眼。


                  豪威科技成立5年后,盡管一直虧損,但還是于2000年登陸納斯達克,這就是美國資本市場的魅力。

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                  圖注:作者戴輝于豪威LOGO前


                  3、2001年,京瓷采用OV6630


                  2001年,日本京瓷的手機照相機附件”the Treva“上,豪威OV6630 CIF芯片得到了應用,11萬像素。隨后,OV6630也進入了京瓷照相手機。


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                  圖注:照相機附件連接手機使用并存儲在手機里


                  2002年,豪威來到中國大陸,到上海松江建立模組廠,潔凈車間是食堂改造的,測試則是依靠人工。生產的模組最早是提供給摩托羅拉手機使用。


                  4、2009年,豪威進入蘋果,圖片質量接近數碼相機


                  從2007年喬布斯發布智能手機(采用美光2百萬像素CIS)開始,蘋果就舉行年度攝影比賽。


                  2009年發布的iPhone 3GS采用 豪威的320萬像素CIS,還有一個可以自動聚焦的鏡頭。手機可以拍視頻啦,每秒30幀,VGA分辨率(640-by-480 resolution)。


                  2009年,豪威和臺積電合作的BSI(背面照度技術)制程產品成功量產,2010年獲得了iPhone 4采用。當年發布的iPhone 4(采用豪威500萬像素CIS)的畫質相當讓人感到滿意。記得深南大路上的一溜公交車站廣告牌都是美輪美奐的大幅照片,下面寫著:“Shot on iPhone”。還加入了前置攝像頭,啟用FaceTime視頻通話功能,這是一個蘋果自己的解決方案,而不是當時的3G視頻通話標準。


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                  圖注:iPhone 4的顯示和照相都不錯


                  iPhone 4是一代神機,很多水客從香港帶貨到深圳。


                  豪威也一度最高拿下全球50%+的份額,索尼僅7%。豪威也一躍成為了臺積電前十大客戶之一。


                  5、索尼和三星受刺激而異軍突起


                  CMOS的大火,讓索尼覺得死守CCD肯定不行了,于是也在CMOS芯片加大投入, 并進入蘋果,應用在iPhone 4s上,從此索尼崛起。索尼最后使用CCD的消費電子產品是2010年推出的A390數碼單反。索尼在2017年3月前逐漸停產CCD傳感器,最后一次發貨時間為2020年。索尼將全部精力投入到CMOS圖像傳感器研發當中,退居幕后成為CMOS圖像傳感器芯片巨頭,以至于每年的絕大部分利潤皆來自這里。


                  三星憑借其手機和芯片制造的強大實力,其CIS也隨后迅速發展了起來。



                  第五章、1995年,王國裕歸國創業至今


                  花開兩朵,各表一枝。


                  1、王國裕來到西安創業做CIS,歸國創業先鋒


                  1995年初,王國裕歸國來到西安交通大學任教授,同時擔任西安開元微電子科技有限公司總經理,董事長則由開元集團派任。他很可能是改革開放之后,最早從海外歸國創業設計芯片的人。


                  差不多時候歸國的魏少軍是王國裕在微電子所的同學,碩士畢業后于85年赴比利時從事芯片設計與科研。95年10月歸國加入電信科學技術研究院創立集成電路中心,從研發SIM卡出發,后成為大唐微電子。魏少軍目前是清華大學微電子所所長。


                  1997年,王國裕領銜開發出512X512 彩色CMOS圖像傳感器,這個進度和英國VVL同步,早于硅谷豪威。作為中國大陸第一個單片CIS,里程碑貢獻記錄進入了中國集成電路編年史。


                  百度百科介紹,王國裕開發了國內第一個單片CMOS攝像芯片、國際上第一個高分辨率CMOS攝像芯片(40萬像素)、國內第一個同時帶有全電視信號輸出和數字信號輸出的單片CMOS攝像芯片、國內第一個單片CMOS彩色攝像芯片。并以單片CMOS攝像芯片為核心,開發出國內第一個微型攝像頭(曾在公交車上大量使用)和國內第一個電腦眼。


                  2000年,王國裕遇到了無法逾越的門檻。原有的計算機工作站和“指南針”EDA軟件由于2000年“時間窗”的問題都不能正常工作了。此外,隨著集成電路工藝不斷進展,美國公司的幾個主流EDA軟件已經脫穎而出,原有的“指南針”EDA已經落后。更新這些軟硬件需要數千萬元。上海華虹(時任電子部部長胡啟立兼任華虹集團董事長)愿接盤,但和母公司開元集團沒有談攏。因研發難以為繼,王國裕不得不辭去開元微電子總經理職務,專心西安交通大學的教學工作,為中國芯片事業培養學生?!伴_元”作為知名芯片品牌也后繼有人,西交大校友賈斌創立了開元通信研發濾波器等射頻器件。


                  當年中國尚沒有對集成電路進行大額風險投資的基金,而芯片又很燒錢,因此這樣的結局現在看來是難以避免的。


                  2、國家成立7個集成電路設計產業化基地


                  在王國裕等先行之士的大力呼吁下,2001年12月29日科技部批準在上海、北京、西安、無錫、成都、杭州、深圳7個城市批準了國家集成電路設計產業化基地。各基地建立具有一定基礎的IC設計技術服務平臺,包括EDA工具、MPW流片、IP開發和復用、測試驗證、SoC設計服務、人才培養、創新應用推廣等服務。


                  我聽過這段故事。深圳基地首任主任張克科(武大人)回憶:深圳是最晚批復但最先推出全方位服務的基地。深圳基地和當年技術領先的香港科技園聯系,簽署了7(個基地)+1(香港)的戰略合作協議,周斌(東大)從深圳最早的獨立芯片企業國微調出來服務諸多設計企業。


                  3、重新出發做音視頻芯片,努力至今


                  就是在2003年,陸明瑩和王國裕自行出資創立西安西芯微電子有限公司,再次出發,研發DAB/DMB+多媒體音視頻芯片,06-07年曾大量英國電商Argos銷售,成為“一代拳王”(爆品)。


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                  圖注:曾大量在英國電商Argos銷售的DAB收音機


                  2004年,他們一同來到重慶郵電大學,專注于芯片設計方法研究和創新技術。又是”十年磨一劍”,他們探索了一種全新的數字系統芯片設計方法,開發了又一重大原創基礎性技術,在世界上首次提出并定義DMB+。這個成果具備原始創新、核心技術、核心芯片和市場應用前景等諸多產業要素,技術已成熟,亦已有成功示范應用,正在和合作方一起做相關行業的規模推廣。他一直在努力。



                  第六章、2003年格科微創立,因山寨機而火爆


                  本世紀初,因為國家鼓勵芯片設計行業的發展,有了一個海外歸國創業的小高潮。


                  1、趙立新從硅谷歸國,”忽悠“中學同學投資


                  趙立新是我所讀的南縣一中學長,黃慈和、熊有廉是我們共同的老師。南縣是小地方,人和人之間沾親帶故,算起來我們還是遠房親戚。1990年,我填寫大學志愿的時候,專程向他請教,當時他正在他父親的作坊里干活打暑期工。也正是在那一年,他從清華本科畢業后進入本校微電子所讀研究生,比王國裕(82年進入)要晚8年。


                  趙立新在斯坦福大學圖書館了研究了500天,每天學習十幾個小時,看了很多論文,確定CIS是最合適的方向。每天結束時,會買一個冰淇淋犒勞自己。


                  2003年9月,趙立新從美國回來經過深圳,從中學同班同學夏風那里忽悠來了200萬美元。趙立新肯定聽過豪威的故事,所以故意將芯片創業說得很輕松,就像“喝蛋湯”(老家方言)一樣。


                  隨后,趙立新在上海集成電路基地所在的張江創立了格科微(GalaxyCore)做CIS,最初也是瞄準了PC市場。


                  他遇到了一個好機遇。中芯國際想做CIS的代工,因此和格科微一起干,格科微提供技術,中芯國際出研發費用。


                  2、為山寨機提供超高性價比產品


                  2006年,華強北GSM山寨機爆發,一些手機采用廉價的CMOS(互補金屬氧化物半導體)技術提供內置照相機,全世界無數老百姓有了人生的第一張數碼照片。


                  傳音手機針對非洲人黑皮膚拍照難這一問題,專門研發了新的拍照算法,即使在晚上自拍,也不會出現看不清自己的情況。


                  2006年開始,山寨GSM手機市場爆發。格科微提供了超高性價比的芯片,最低可至10萬像素,只有幾毛錢美金一顆,配合獨創的低價COM模組工藝,幾乎成了低價山寨機的標配。


                  遠在硅谷的豪威也注意到了這個機會,利用美國上市帶來的資金優勢,給了同行一個“下馬威”。趙立新回憶:“當時在深圳,他們(豪威)把自己庫存的產品按斤來賣!” 這個舉措搞得格科微賬上一度只剩下200元,后幸運地獲得風險投資后渡過難關。


                  早年沒有自動化夾具和AI視覺檢測手段,格科微招聘了很多年輕女工手工檢測成像質量。同學黃誠和陳伯友都去觀摩過,感慨于這“勞動密集型”芯片測試工廠。后來在嘉興落成高度自動化測試工廠。


                  3、CIS成為中芯國際和廣東粵芯的第一個海量產品


                  連續數年,格科微是中芯國際第一大客戶,CIS也成了中芯國際第一個海量產品。目前,如果按發貨量口徑算,格科微全球排第一,不過,如果按金額算,那就不同了。


                  后起之秀廣東粵芯一度七成產能是為格科微代工200萬像素CIS。格科微也曾在華虹投片。格科微的BSI技術早期和三星聯合推出。


                  格科微上市后,在上海臨港建立了自己的12英寸晶圓廠,所謂”FAB-LITE“模式。


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                  圖注:上海臨港滴水湖 作者戴輝攝


                  3、GSM是中國芯片急劇發展的最寶貴機緣


                  世界上做大了芯片產業的國家并沒有幾個,需要寶貴的機緣。


                  眾所周知,PC的ODM產業帶動了中國臺灣的芯片設計產業的崛起。


                  無獨有偶,中國大陸也遇到了偉大的契機——GSM。在04年,3G干死2G(正如2G干死大哥大)的說法壓倒一切??萍祭媳鬏x依據深刻理解,堅持推廣GSM,孤身拓展出菲律賓馬尼拉整網替換項目,這是全球第一個超級大都市的替換項目。之后,全球GSM迅速發展,山寨GSM手機浪潮也隨之興起。ODM企業(如華勤、聞泰、龍旗等)大量生產公板(類似電腦),在導入和驗證國內芯片上起到了關鍵作用。


                  現在和未來,智能手機的爆發,進一步帶動了很多顆大陸芯片的蓬勃發展,并屹立于世界強手之林!



                  第七章、中國CIS產業生態群體崛起


                  1、CIS芯片群體崛起


                  2015年,豪威為中資以19億美元的現金價格收購,2018-19年為韋爾科技所收購,CEO虞仁榮和格科微趙立新是清華大學的同班同學。

                  思特威徐辰、芯視達杜崢都曾在豪威工作,都在國內做CIS,服務手機、安防、汽車等領域。


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                  圖注:芯視達CEO杜崢和作者戴輝


                  2、供應鏈群體崛起


                  晶圓制造上,CIS采用的都是成熟制程,并不是常規意義上的先進制程(14納米以內),因此在中國大陸完全可以量產。CIS以前是0.8微米(800納米)線寬做的,后來是0.5、0.3、0.18微米、90納米線寬,格科微報道稱基于55nm的工藝平臺已進入量產狀態,索尼和豪威則有報道稱最多采用45納米和55納米等制程工藝。有報道稱,三星的堆棧式結構中,上層傳感器主要采用65納米制程,下層邏輯電路則采用28納米和65納米。CIS有“前照式(FSI)”、“背照式(BSI)”、“堆棧式Stacked BSI”等不同種類。


                  封裝上,普遍采用了WLCSP先進封裝工藝,大陸封裝企業紛紛上了檔次!


                  內置的攝像頭模組(CCM)大部分都是在中國制造的。三星本來轉移到了越南,現又將很多訂單交給國內的ODM公司(如華勤)。


                  誰笑到最后,誰笑得最好!


                  3、CIS在專業場景大量應用


                  CMOS圖像傳感器(CIS)在汽車智能駕駛、安防(視頻監控,包括家居安防)、醫療(如腸胃鏡)、工業(如機器視覺和機器人)、宇航(如望遠鏡)、無人機航拍、遠程教育等眾多領域獲得了很多應用。


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                  工業領域的機器視覺應用非常廣。


                  明銳理想的AOI(自動光學檢測)設備本質上是一個直角坐標機器人,基于工業相機在高速運動下拍下很多照片,從而實現對芯片封裝、CMOS攝像頭模組(CCM)、智能手機電路板一條龍的自動視覺檢測。還有響亮的SLOGON:“明于心,銳于眼”。


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                  CEO冀運景告訴我,最近幾年,采用CMOS傳感技術的高性能工業相機已經是絕對主流了,處理速度非???,成像質量也令人滿意。速度是關鍵:With CCD sensors (left) the charge is shifted pixel by pixel, in the CMOS sensor the charge of each pixel is directly converted to a voltage and read – making it noticeably faster.

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                  圖注:CMOS的成像速度比CCD快很多(源:BASLER)


                  醫學檢測也廣泛使用。


                  去年,我在長沙做腸鏡檢查和割息肉,我因為是學醫電(BME)出身,所以沒有打麻藥,饒有趣味地看著屏幕里的”曲徑通幽“。如今我也是文人,也想能和寫”屎尿屁“的賈淺淺一樣地火,所以直接上”干貨“!


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                  圖注:腸鏡檢查圖 作者戴輝攝


                  作者戴輝:獨立電子科技史研究者,文章累計閱讀量上億,已出版《華為通信科技史話》(人民郵電出版社),將出版《中國電子和芯片史話》。

                  參考資料:

                  • CMOS Image Sensors (CIS): Past, Present & Future  by Sofiane Guissi  https://www.coventor.com

                  • The Development of CMOS Image Sensors https://www.azom.com/

                  • 手機攝像頭持續創新,多方位支撐技術升級 劉億

                  • CCD/CMOS圖像傳感器基礎與應用〔日〕米本和也著

                  • 攝影知識必備!圖像傳感器百年發展史 與光

                  • 數字成像和圖像傳感器的發展史 FORZA

                  • Inside the Nobel Prize: How a CCD Works https://www.wired.com/

                  • CMOS浮沉:從雙雄纏斗到國產替代 李健華

                  • 豪威創造「計算機之眼」出頭天 P.90

                  • 這家在興柜8年IC設計公司終于要上市 為何最高興的是黃崇仁?信傳媒

                  • 上海灘無線和芯片30年史|老兵戴輝

                  • 索尼CMOS圖像傳感器十年奮斗史 上方文Q

                  • 謝幕!奧林巴斯84年的相機歷史終結 托尼

                  • 數字攝影半世紀:像素改變世界 守候微光

                  • 三星高端CIS產能吃緊 華米OV集體焦慮 張軼群

                  • 被手機攝像頭改變的世界 衛夕指北

                  • 中國CIS兵團的崛起 李晨光

                  • 芯人物:趙立新、陳大同、單記章

                  • 對戰卡片機 iPhone4背照式CMOS功能揭秘 太平洋電腦網

                  • 王國裕:芯片世界寫精彩  清華大學官網

                  • 東大校友科研伉儷喜獲英國頂級科學獎 東南大學官網

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