圖像傳感與處理是否集成？

　　眾所周知，手機(jī)的體積起來(lái)越小，價(jià)格也越來(lái)越低。當(dāng)你針對(duì)消費(fèi)者需求，要為手機(jī)增添更多功能時(shí)，如為靜止圖像和視頻提供高分辨率的成像功能，你就會(huì)面臨一個(gè)相當(dāng)有意思的研究案例，也就是作為一種經(jīng)典工程學(xué)科的折衷處理問(wèn)題。

　　為了更好地進(jìn)行選擇，首先就要看一下可拍照機(jī)手機(jī)及其相關(guān)應(yīng)用所需的基本功能，其中包括了圖像質(zhì)量、去馬賽克(demosaicing)算法(把Bayer色彩濾光片的信號(hào)流轉(zhuǎn)換為真實(shí)的圖像)、噪聲補(bǔ)償、自動(dòng)白平衡(auto white balance)、自動(dòng)曝光、文件較小以及低功耗。

　　以集成追隨超薄手機(jī)潮流

　　通過(guò)采用JPEG壓縮，可以降低文件大小，并滿足存儲(chǔ)器要求。這種算法出現(xiàn)在某些圖像傳感器IC上，但更多的是通過(guò)被稱為圖像信號(hào)處理器(ISP)的輔助芯片(Companion Chip)來(lái)處理。而在CMOS圖像傳感器(CIS)面世之前，所有的圖像處理都是在專用處理IC上完成的。

　　雖然JPEG壓縮至今仍適用于電荷耦合器件(CCD)和CIS，但情況已開始發(fā)生變化。固態(tài)成像(solid-state imaging)技術(shù)已進(jìn)入系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)和系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)的爭(zhēng)戰(zhàn)中。不變的是以最少的條件創(chuàng)建質(zhì)量較好的圖像。

　　對(duì)于希望將數(shù)字處理整合到圖像傳感器上的開發(fā)人員而言，關(guān)注的核心問(wèn)題是拍照模塊的總體占位面積。在將數(shù)字處理集成在傳感器裸片方面，安華高(Avago)是引領(lǐng)廠商之一。事實(shí)上，安華高是唯一一家在CIS器件集成片內(nèi)JPEG編碼和自動(dòng)聚焦控制功能的供應(yīng)商。自然而然地，該公司也提倡在拍照模塊中使用單塊系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)。安華高的行銷經(jīng)理Feisal Mosleh曾表示：“拍照模塊在手機(jī)中的安裝方式影響了手機(jī)厚度，而厚度目前是一項(xiàng)主要賣點(diǎn)。目前手機(jī)中還沒(méi)有可供堆棧封裝的厚度?！?

　　圖1: 安華高的CMOS圖像傳感器集成了片內(nèi)JPEG編碼和自動(dòng)聚焦控制功能

　　的確，超薄手機(jī)是一項(xiàng)重要營(yíng)銷亮點(diǎn)，而原始設(shè)備制造商(OEM)對(duì)封裝、元件和模塊的要求嚴(yán)格限制了供應(yīng)商的物理設(shè)計(jì)。盡管現(xiàn)在有人認(rèn)為元件厚度問(wèn)題嚴(yán)重，且沒(méi)有什么空間余留，但必須認(rèn)識(shí)到，我們所討論的厚度問(wèn)題正是單裸片的真正優(yōu)勢(shì)所在，這一點(diǎn)十分重要。雖然存在關(guān)于裸片粘接、墊片(spacer)和線邦定等額外開銷，圖像信號(hào)處理器(ISP)的裸片厚度仍可以達(dá)0.2mm及以下。這是否占模塊高度的很大比例，取決于各個(gè)模塊供應(yīng)商。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)成像架構(gòu)(SMIA)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，最大高度為7.6mm。某些已發(fā)布的超薄手機(jī)在消費(fèi)領(lǐng)域中引入了模塊高度限制特性，如三星的“信用卡手機(jī)”SGH-P300，厚度只有9mm。摩托羅拉的蛤殼式手機(jī)Razr V3i厚度為14mm，三星的t509和Xcute S50厚度分別為9.8mm和9mm。

　　拍照模塊的成本考慮

　　手機(jī)的拍照模塊售價(jià)一般在9美元左右。Semiconductor Insights公司關(guān)于諾基亞6111手機(jī)的拆卸和材料清單(BOM)分析報(bào)告估計(jì)，其中采用的意法半導(dǎo)體(ST)100萬(wàn)像素拍照模塊VS6650的成本為7.75美元。有意思的是，這一應(yīng)用產(chǎn)品使用的是單獨(dú)的ISP IC——STV0976N手機(jī)圖像處理器，并沒(méi)有整合到拍照模塊中。STV0976N實(shí)際上安裝在手機(jī)主板的下側(cè)，這樣做可以使模塊很薄，但占用了36mm2的額外面積。ISP的成本使得手機(jī)BOM增加了1.45美元。ST的ISP采用了大小為8.8mm2的圖像處理硅芯片。

　　包括本文論及的片內(nèi)(on-chip)集成與封裝內(nèi)(in-package)集成的對(duì)比在內(nèi)，業(yè)界有關(guān)硅片處理成本問(wèn)題的討論屢見不鮮，但終將蓋棺定論。要透徹了解這一關(guān)鍵參數(shù)，重要的是使用最好的分析工具。目前最好的IC成本模型工具是IC Knowledge公司的產(chǎn)品。它的2006 IC Knowledge模型建立了從頭到尾的全面的制造流程，有助于進(jìn)行精確的成本估算。

　　象Zoran Coach 8這種芯片，利用非?；A(chǔ)的大批量CMOS工藝流程，可使制造成本極低。假設(shè)委托一家臺(tái)灣地區(qū)的晶圓廠采用180納米、5層鋁工藝制造，尺寸為5.9mm×5.2mm的每片IC的成本為84美分，相當(dāng)于每平方毫米成本0.028美元。

　　圖2: Zoran的數(shù)碼相機(jī)圖像信號(hào)處理器集成了抖動(dòng)穩(wěn)定和MPEG-4壓縮等功能

　　此外，美光科技利用其CIS技術(shù)，充分發(fā)揮該公司的大批量DRAM制造工藝的優(yōu)勢(shì)，憑其圖像處理技術(shù)在短期內(nèi)已成為CMOS成像技術(shù)領(lǐng)域的主要玩家。美光擁有兩個(gè)版本的28微米的像素生成技術(shù)。其中，MT9D011是帶有原始Bayer輸出的單純傳感器版本，而MT9D111則在其基礎(chǔ)上增加了ISP功能。在采用美光的150納米工藝制造時(shí)，數(shù)字處理部分使傳感器IC的面積增加了24.6mm2。利用IC Knowledge模型分析可知，相應(yīng)的額外成本為1.03美元，比Zoran ISP高出將近20美分。

　　像素尺寸、數(shù)量與圖像質(zhì)量問(wèn)題

　　對(duì)于圖像傳感器生產(chǎn)商而言，另一個(gè)有關(guān)大小的問(wèn)題，是芯片能夠支持的像素?cái)?shù)量。首先，手機(jī)拍照模塊的發(fā)展趨勢(shì)是沿百萬(wàn)像素提升。但在尺寸和成本方面所受的限制，阻礙了裸片尺寸隨像素?cái)?shù)量的不斷提高而增大，解決方案就只有減小像素。目前這一代圖像傳感器的像素尺寸可達(dá)2.2微米。而當(dāng)像素縮小到2.2微米及更小時(shí)，越來(lái)越多的額外處理問(wèn)題就會(huì)接踵而來(lái)。

　　由于像素尺寸是唯一的變量，像素越小，對(duì)低亮度條件越不敏感，干擾也就越大。結(jié)果造成即便是設(shè)計(jì)與制造俱佳的圖像傳感器，也會(huì)生成質(zhì)量低劣的圖像，除非圖像處理能夠補(bǔ)償。現(xiàn)在不少手機(jī)都具有300萬(wàn)到500萬(wàn)像素的圖像傳感器，三星甚至已推出1,000萬(wàn)像素的可拍照手機(jī)。

　　傳統(tǒng)的數(shù)碼相機(jī)(DSC)設(shè)計(jì)也許可為手機(jī)市場(chǎng)提供一些借鑒。例如，Zoran最新的Coach 8 ISP是適用于DSC應(yīng)用的最高端器件。Zoran的器件專門設(shè)計(jì)用于成本較低、占位面積有限的DSC。它們所具有的功能，比如MPEG-4壓縮、用于輸出到高清監(jiān)視器的HDMI接口、LCD驅(qū)動(dòng)器、32位MIPS CPU和數(shù)字視頻圖像穩(wěn)定器等，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了當(dāng)今的手機(jī)功能。DSC基本上只涉及到圖像處理，故可以有把握地說(shuō)，圖像性能沒(méi)有被損及。所以，DSC應(yīng)用因采用單獨(dú)的傳感器和ISP而犧牲了性能這一說(shuō)法值得懷疑。

　　CMOS以獨(dú)到技術(shù)力拼CCD圖像質(zhì)量

　　CMOS圖像傳感器一直都與CCD圖像傳感器在分辨率與圖像質(zhì)量方面力拼。實(shí)際上，CMOS產(chǎn)品擁有一些明顯優(yōu)勢(shì)。這種成像器(imager)可在現(xiàn)有CMOS生產(chǎn)線上以低成本進(jìn)行快速生產(chǎn)，它們能集成大量的圖像處理、壓縮及其它邏輯電路，有助于設(shè)計(jì)尺寸更小的產(chǎn)品。

　　雖然早期的CMOS圖像傳感器非常便宜，但他們生成的圖像卻不能與CCD相提并論。不過(guò)，隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)步，它開始在越來(lái)越多的應(yīng)用中取代CCD。雖然這些技術(shù)進(jìn)步并沒(méi)有出現(xiàn)在很多種類的CMOS器件中。

　　當(dāng)CMOS圖像傳感器剛開始挑戰(zhàn)CCD時(shí)，像素尺寸一般都相當(dāng)大。然而，技術(shù)永遠(yuǎn)是不斷向前發(fā)展的，為了縮小尺寸，圖像傳感器處理技術(shù)面臨的壓力越來(lái)越大。

　　為了實(shí)現(xiàn)像素尺寸的不斷縮小，目前的CMOS圖像傳感器處理技術(shù)正變得越來(lái)越有獨(dú)到之處。其方法之一便是創(chuàng)建微透鏡(Micro Lens)，把更多的光聚焦在更小的光電二極管上。在前端制造工藝，供應(yīng)商還可以創(chuàng)建更敏感的、固有噪聲更低的光電二極管。

　　MOSFET的溝道表面干擾很大，把光轉(zhuǎn)換為電荷的選擇很少。因此，大多數(shù)現(xiàn)代圖像傳感器供應(yīng)商都把摻雜劑注入到硅片表面上。這種“釘扎層(pinning layer)”把光吸收區(qū)域更深地推進(jìn)到硅片內(nèi)部，遠(yuǎn)離受干擾的表面。這種“釘扎光電二極管(pinned photodiode)”工作非常理想，但增加了額外的處理成本。

　　未來(lái)趨勢(shì)將是背離集成？

　　回到生產(chǎn)工藝上，美光科技的2.8微米像素工藝的建模成本為0.042美元，而帶有嵌入式閃存的類似邏輯工藝則可能只有0.023美元左右。成本的差異突顯了這一事實(shí)，即隨著CMOS成像工藝變得越來(lái)越專用化，它的成本也愈發(fā)高昂。在某些情況下，它的硅工藝成本可能是基本工藝的兩倍。

　　問(wèn)題在于，你為什么要為在昂貴工藝線上制造的額外功能買單呢？生產(chǎn)批量將決定成本，因此，你真的需要透鏡、濾波器及其它成像器處理模塊等所有這些額外的硅片嗎？這么做的理由之一是可以把拍照模塊的占位面積減至最小。不過(guò)，還有其它一些趨勢(shì)需要考慮。

　　基帶產(chǎn)品和應(yīng)用處理器領(lǐng)域的大玩家都期待在它們的芯片上增加ISP功能。高通和TI都在創(chuàng)建復(fù)雜的手機(jī)SoC解決方案方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)?？紤]把ISP增添到基帶處理器上的這一概念的提出并沒(méi)有很長(zhǎng)時(shí)間。TI OMAP 3(430)集成了片上ISP，并為希望使用較簡(jiǎn)單便宜的拍照模塊的手機(jī)設(shè)計(jì)人員提供了JPEG和其它選擇。如果不計(jì)芯片面積的話，把ISP集成到這些復(fù)雜器件(采用10層金屬、65納米工藝制造)上而增加的成本幾乎可以忽略不計(jì)。

　　為什么要集成呢？一個(gè)一直沒(méi)有被考慮到的因素是功耗問(wèn)題。完全集成傳感器和ISP的方案肯定會(huì)降低功耗。不過(guò)，若拍照功能造成的功耗問(wèn)題沒(méi)有引起廣泛注意的話，手機(jī)生產(chǎn)商可能有大量的余地去選擇一個(gè)更廉價(jià)的解決方案。

　　預(yù)計(jì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是背離集成。隨著傳感器分辨率的提高，越來(lái)越多的傳感器將只整合輸出數(shù)字信號(hào)所必需的電路。制造商要么會(huì)將處理和壓縮硬件放在ISP上，要么會(huì)在下一代應(yīng)用處理器中使用內(nèi)置式功能。

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