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智能安防的幕后英雄这些安防CIS企业你不可不知

2020-06-25 10:00

  根据IC Insights在今年8月底发布的统计报告,CMOS市场规模持续增长态势已经保持6年,2018年销售额达到了创纪录的142亿美元,预计2019年CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor,CIS)的销售额有望达到155亿美元,同比增长9.3%,且还将继续保持创纪录的销售量和出货量。IC Insights预测这一势头将会持续到2023年,至215亿美元。

  图1:IC Insights统计的2013年~2018年CMOS图像传感器的销售额,及未来几年的市场规模预测。

  另外,根据Yole在2018年统计的数据,在2017年CMOS图像传感器的出货在不同应用领域的占比情况显示,安防用CMOS传感器在2017年为7.86亿美元,相比2016年增长了26%,是各类应用中增长率最高的。也就是说安防领域称为了CMOS图像传感器最活跃的市场之一。

  图2:CMOS图像传感器在不用应用领域内的市场规模及占比情况。(数据来源:Yole)

  由于物联网的出现,安防监控摄像头现在已经不再局限于机场、火车站、银行、商场、公路上和办公楼等政府和企业级应用。它们已经成为零售企业、智能城市、智能家居和智慧工厂的重要组成部分,在收集和分析大数据方面用途非常广泛。

  在CMOS图像传感器领域,索尼、三星和豪威科技(现被韦尔股份收购)三家企业掌握了行业主导权,联手占了70%以上的市场,不过他们的产品大部分都应用在手机领域。在安防领域,出货量比较大的企业主要有思特威(Smartsens)、豪威科技(OminiVison)、索尼(Sony)、晶相光电(SOI)、派视尔(PixelPlus)、安森美(ON Semiconductor)、以及格科微(GalaxyCore)等。

  思特威电子科技有限公司(SmartSens Technology),由徐辰博士和多名硅谷精英于2011年创立,在美国硅谷、中国上海和北京等地有研发团队,主要专注于CMOS图像传感器芯片设计。在2018年8月份,获得了北京芯动能投资基金领投,联想创投集团等投资机构参投的数千万美元融资。据称,它是首家推出基于电压域架构和Stack BSI工艺的全局曝光CIS芯片的公司。

  其产品主要应用在安防监控、车载影像、机器视觉和消费类电子产品(运动相机、无人机、扫地机器人、智能家用摄像头)等领域。特别是在安防领域,据了解思特威2018年在安防领域的出货量为6000多万片,成为隐形的安防监控CMOS图像传感器出货量冠军。

  目前,该公司主要有三大产品系列:SmartClarity、SmartPixel和SmartGS。其中,SmartClarity系列产品基于BSI像素技术,具有出色的夜视性能。最新的产品为SC8238,该产品支持最常用的1/2.7”光学尺寸,分辨率为4K,它还采用了1.5m背照式像素技术(BSI),能够以同级别产品中最低的功耗实现高达1160mV/Luxs的灵敏度。其应用场景包括家用监控摄像头、智能家居及物联网摄像头、视频会议系统和入门级运动相机等设备。

  SmartPixel架构产品是思特威在2017年8月份推出的,采用了突破性的降噪工艺、高灵敏度、低噪声和低功耗的读取电路架构。配合940nm的红外补光灯珠,可实现夜视功能。其代表产品有SC4236、SC2238、SC2235、SC1235,以及SC1245等。

  在今年4月份的美国拉斯维加斯安防展览会上,思特威还正式推出了DSI像素技术。据其官网介绍,DSI技术使其SmartPixel技术再次获得增强。DSI像素技术基于思特威先进的传感器设计架构开发,相较于BSI、FSI等前代技术,能够帮助用户实现更强的成像性能、更短的产品上市时间以及更高的性价比。在成像性能方面, DSI像素技术相较于SmartPixel技术目前采用的FSI技术灵敏度提升了2倍,暗电流则减少了5倍。而对比业内其他厂商的BSI传感器,思特威提供的DSI像素技术则能够实现2倍的SNR1性能和55%的读取噪声。此外,DSI像素技术的开发过程,不仅应用了思特威的像素设计与制造经验,还结合了DB HiTek公司领先的芯片制造技术。

  SmartGS系列产品是基于BSI工艺的全局快门CMOS图像传感器芯片。代表产品有SC132GS、SC130GS和SC031GS。

  豪威科技成立于1995年,专注于开发高度集成的CMOS图像技术,总部位于美国加利福尼亚州。豪威科技于2000年7 月在纳斯达上市。

  豪威科技的创始人是经验丰富的工业专家,出身于摩托罗拉,精通微处理器、微控制器、特殊功能逻辑、具有丰富的模拟电路、数/模混和电路设计经验。它是最早进入拍照手机领域的CMOS传感器企业,在早期也是最具规模的一家。2003年拍照手机刚开始应用时,CCD 技术清一色由日本供应商垄断,CMOS技术则主要是欧美厂商提供。其中数美国豪威最具影响力。当时,全球1/3的手机摄像头都采用了美国豪威的产品。随着日韩厂商在CMOS方面技术逐渐赶上,加上2011年豪威丢失苹果订单,豪威逐渐被索尼、三星超越成为全球第三大CMOS供应商 。

  目前,豪威科技提供的产品主要包括CMOS 图像传感器(CMOS image sensor)、ASIC、微型影像模组封装技术(Camera Cube Chip)和硅基液晶投影显示芯片(LCOS)。各类产品广泛应用于消费电子和工业应用领域,包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑、网络摄像头、安全监控设备、数码相机、汽车和医疗成像等。

  自2016年起,以华创投资为首的中国财团设立并购基金北京豪威,以19亿美元对价成功私有化纳斯达克上市的图像传感器巨头豪威科技。豪威开始了“远嫁”中国的漫漫长路。尽管一定程度上收到了并购的影响,豪威的营业收入仍实现了稳定的上涨。

  2018年5月开始,韦尔股份筹划收购豪威科技,并在今年5月6日晚间,韦尔股份发布公告宣布证监会有条件的通过了韦尔股份对于北京豪威科技等标的资产的收购。此前,在美国当地时间4月16日,美国外国投资委员会(CFIUS)就已经签发通知函,正式审阅通过了韦尔股份收购北京豪威科技有限公司的交易材料,并确定上述交易不存在未解决的国家安全考虑因素。也就是说,韦尔股份在5月份正式完成对豪威科技的收购。

  豪威科技生产的CMOS图像传感器处于行业内领先水平,产品型号覆盖100万像素以下至 1,300万像素以上各种规格,形成了较为完善的产品体系。针对不同应用领域的各类应用设备,美国豪威可根据不同设备的尺寸大小、光敏度、封装类型以及芯片内嵌式图像信号处理等方面的区别,提供特色化的产品解决方案。

  北京豪威下游厂商客户涉及手机、安防、汽车、娱乐、电脑等行业,在低端市场和高端市场均有布局。目前,它是国内安卓一梯队手机的CMOS图像传感器的主要供货商之一,供货华为、OPPO、vivo、小米等;同时安防领域供货安防龙头海康、大华等;公司拥有汽车领域布局相关验证资质,汽车领域供货奔驰、宝马、特斯拉等汽车制造商。

  其中在2018年,其安防领域内的CMOS图像传感器出货量约为4000多万片,略高于索尼。

  就目前而言,索尼无疑使CMOS图像传感器领域的王者。尤其是在智能手机领域,现在几乎所有的旗舰手机都采用了索尼的CMOS图像传感器,它2018年设计摄像头CMOS图像传感器产品的出货量超过了13.7亿片;在安防领域的出货量也有4000多万片。

  当然,索尼的王者之位也不是一天达成的。2010年时,索尼图像传感器的市场份额不过7%,排行老六,当时的市场第一还是美国的Aptina Imaging(现已经被安森美收购)。就在这一年,索尼做了一个很重要的决定。

  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,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”。

  2012年,索尼在图像传感器上实现了一次技术飞跃。索尼开发的系统能够将两颗芯片堆叠在一起,每颗芯片只有一小片指甲的大小。一颗芯片捕捉图像像素,另一颗则包含传感器的电路。两颗芯片的叠加有助于智能机制造商生产出比此前设备更薄的机型。之前,手机使用的图像传感器将两颗芯片放在同一个层面上。

  因此2012年增长非常迅猛,份额达到了21.4%。而在2013年,索尼在中国市场大获成功,其中13M约有7成的占有率,8M也有约3成的份额。

  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。

  索尼的图像传感器业务在近年来可谓是快速膨胀,一方面高端相机纷纷采用索尼的传感器,另一方面大量的智能手机也采用索尼的传感器作为其拍照系统的解决方案。

  索尼即将推出的应用于安防摄像机的4K CMOS图像传感器IMX415将会再次刷新全球同类产品的小尺寸记录;IMX485的低光性能更好,约为前代产品的3.3倍。

  图4:应用于安防摄像机的4K CMOS图像传感器。(左:IMX415;右侧:IMX485)

  IMX415堆叠式CMOS影像传感器采用了索尼独有的高灵敏度,低噪点技术,将像素尺寸缩至1.45平方微米,比前代产品缩小约80%,缔造出破纪录的 1/2.8英寸堆叠式4K CMOS影像传感器,并具备卓越的低光性能。

  背照式CMOS图像传感器IMX485,具有更加卓越的低光性能。这款传感器采用最先进的像素技术,能够很好地降低噪点,其低光性能比前代产品的4K图像传感器高出3.3倍,即使在黑暗的环境中也具有出色的图像识别及检测功能,成为高端4K安防摄像机的一个好选择。

  晶相光电股份有限公司成立于2004年5月,是一家专业开发与销售CMOS图像传感器的公司。其Area CMOS图像传感器已广泛应用于PC Camera/Web Camera/安防监控和玩具市场,未来也会开发新的产品,以扩大其应用范围至汽车、手机、平板电脑和医疗系统等领域。

  该公司已于2018年7月在台湾挂牌上市,据其年报显示,2018年总营收为20.34亿新台币(约4.68亿元),逾9成的营收来自安防市场,目前海康威视是其最大客户。晶相光电在2018年安防市场上的出货量约为3000多万片。

  由于市场竞争激烈,晶相光电的CMOS产品主要应用为单价较低的安防产品,使得毛利率提升幅度有限。据其年报显示,2018年的利润率相比2017年有所下降。

  此外,晶相光电也有基因定序检测芯片与基因定序检测设备企业Illumina合作开发成功,已于2018年初正式发表销售。

  韩国企业派视尔成立于2000年,是专门研发和生产图像传感器和相关Chipset产品的Fabless公司。目前其产品主要应用在安防监控以及汽车电子领域。据其官网介绍,日后它们将逐步进军医疗及智能家电等市场。其2018年在安防监控领域的CMOS图像传感器出货量约为500多万片。

  派视尔在2003年开发了Camera Phone用最小型VGA及130万像素图像传感器。并首次供应给韩国国内手机龙头企业。2005年,派视尔在业界首次开发了装有 AF(Auto Focus)功能的200万高像素CMOS图像传感器,成功地引领了整个市场。

  派视尔自2008年开发了1/4英寸产品PC1030后,成功进入安防监控市场。过去5~6年间,该产品作为出色的CMOS图像传感器,在安防监控市场表现不错,并且成功进军中国市场,应用在中国许多安防监控摄像头产品上。

  基于这些成功经验,派视尔在2010年成功开发并实现了1/3英寸D1级产品PC1089的量产,把以CCD图像传感器为主的市场重心转移到了CMOS图像传感器。此后又相继开发了引领市场趋势的产品,如1/3英寸D1级WDR图像传感器PX2089、全球首个960H Single Chip Solution PC1099、装有SMPTE296M界面的1/3英寸HD级图像传感器PO3100等产品,从而在安防监控市场大大提高了其产品的品牌价值。

  2011年2月,安森美半导体以3140万美元完成收购赛普拉斯CMOS图像传感器业务部。

  2014年4月,安森美半导体以9500万美元现金收购图像传感器设备制造商TRUESENSE Imaging。

  2014年8月,安森美半导体签署以4亿美元收购汽车及工业市场领先的高性能CMOS图像传感器供应商Aptina Imaging。

  收购Aptina大幅扩充了安森美半导体的图像传感器业务,建成公司在汽车及工业半导体市场快速增长的图像传感器领域的领先地位。

  安森美的传感器市场面向三大应用,分别为汽车,工业与消费推动汽车传感器市场的融合。

  目前,在ADAS领域,安森美拥有完整的产品组合,从VGA到1200万像素的产品一应俱全,可满足客户不同需求。安森美的产品具有低照度解析、宽动态范围等特性,可以直接满足到自动驾驶L5等级的需求。对于普通机器视觉来说,只需要黑白色就可以了,但如果牵扯到行人识别,就需要色彩信息,而安森美的传感器平台则可以同时传输这两种信息。

  在安全认证方面,安森美目前已经通过了AEC-Q100车规认证以及ISO26262功能安全认证,这也是第一家传感器公司获此认证,此外安森美也于2018年初,推出了全球首个针对网络安全的图像传感器,进一步提升安全性需求。

  汽车是工业界中最复杂的系统之一,因此安森美需要更多的合作伙伴一起,目前已有60家以上的图像方案合作伙伴,涵盖镜头、ISP、SerDes、处理器以及算法等。

  安防市场的需求和车用市场有些类似,由于其户外工作特性,需要高动态范围、低照度影响、抗低温、高分辨率等特点。针对安防这一巨大市场,安森美认为,客户对于安防产品升级需求强烈,未来200万像素对100万像素替代需求将变得强烈,同时今年500万像素产品将开始上量。

  安森美半导体上一代CMOS图像传感器PYTHON像素为4.5及4.8微米,而目前全新一代XGS图像传感器,像素为3.2微米。1英寸的PYTHON图像传感器分辨率为500万,而1英寸的XGS传感器分辨率高达1200万。

  在安森美半导体的官网,我们看到有158种CMOS图像传感器产品,点击过后可以看到三款XGS系列的产品是打着“NEW”标志,分别是XGS9400、XGS8000和XGS12000。这些传感器除了更高的分辨率,封装也不同于过往。在芯片封装上,新一代的XGS采用了LGA封装,提供了更小的尺寸,更好的性能。 在业内,XGS 12K和16K是业内唯一能兼容29×29mm2工业相机的1000万以上分辨率芯片。

  在打着“NEW”标志的8款新品中,也有ARX3A0的身影,这是一款主打低功耗的CMOS图像传感器。它是为了满足可穿戴设备这些对功耗有严苛要求的终端市场。全新的ARX3A0把低功耗做到极致。该芯片创新的提供了休眠模式,该模式下功耗小于2.5 mW。休眠模式可以由运动事件或者照明变化唤醒自主唤醒。这种超低功耗的功能对IoT特别是靠电池供电的IoT设备尤为重要。

  格科微电子有限公司创立于2003年,是一家专注CMOS图像传感器的设计开发和销售的公司。

  2004年,格科微推出中国首颗0.25微米工艺10万像素CMOS图像传感器。2004年3月,格科微完成35万像素VGA芯片设计并在中芯国际0.18um生产线年初,格科微拿到PC图像传感器芯片的国内定单,并在当年卖出了1600万颗芯片,销售额达到500万美元,实现盈利。

  这种业绩表现在当时的行业中很少见,因此格科微在2006年拿到华登国际和红杉资本的投资,并在这一年“四晶体管”工艺的像素技术研发成功,在此工艺基础上,格科微分别推出了名称为GC0307、GC0309、GC0308这三款芯片。

  2008年国际金融危机爆发,豪威科技通过提高产品售价来扭转利润下滑的局面,然而格科微直接转向手机图像传感器领域研发,并在2008年推出成本低于竞争对手20%的新产品,当年销售了3500万颗芯片,获得了2000多万美元收入。那一年,格科在手机图像传感器市场的份额从国内第三变成第一,成为全球低端图像传感器最大的供应商。也正是这一场仗奠定格科微的江湖地位。

  2017年12月,其1300万像素图像传感器项目顺利通过了上海市科学技术委员会验收,本项目属于自主研发,采用并行ADC + RAMP电路设计,格科微在台积电最新一代的BSI工艺生产,满足了高端CMOS图像传感器产品高速度、高性能、低功耗的要求。新开发的1300万像素图像传感器芯片帧率快,色彩还原度高,暗态噪点小,为客户提供高端产品选择。

  然而格科微在高端市场的表现一直没有起色,在中低端市场也受到了来自国内其他厂商的冲击,目前承压较大。

  其实,格科微除了在中低端手机市场有应用外,在中低端安防市场也有一定的应用,2018年出货量约为200万片。

  目前,CMOS图像传感器处于群雄并起的年代,市场应用前景广阔,只要发展对路,一切皆有可能,比如思特威就是个很好的例子,它2011年成立,到如今不过8年的时间,就做到了安防领域出货量第一。

  在安防领域出货量比较大的七家企业中,一半是属于中国企业,可见最近几年来中国半导体企业的发展速度之迅速。在巨大的汽车、安防和工业市场当中,中国本土企业未来几年的表现更值得期待。

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