图像传感器江湖的“三国杀”
北京时间9月8日凌晨1点，苹果秋季新品发布会在线上召开，带来了全新的iPhone 14 系列手机，以及 Apple Watch 系列手表、AirPods Pro 2 耳机等新品。
苹果此次发布的 iPhone 14 系列新品，砍掉了原有的mini机型，新增了Plus机型，依然保持了四款机型：iPhone 14、iPhone 14 Plus、iPhone 14 Pro和iPhone 14 Pro Max。其中，前两款机型保留了沿用多年的刘海屏设计，iPhone 14 Pro/Pro Max版则首次将“刘海屏”设计改为了全新的“药丸屏”设计，并且iPhone 14 Pro/Pro Max 还用上了最新的 A16 仿生芯片，并且首次将沿用了多年的1200万像素主摄升级到了4800万像素主摄。
▲ 图1：iPhone 14 Pro/Pro Max 升级主摄为 4800 万像素
iPhone14 系列手机定于9月16日正式发售，其配备 4800 万像素的主摄像头可是苹果自 iPhone6S 以来，首次对摄像头像素进行升级。从 2015 年发售的 iPhone 6S，一直到去年发售的 iPhone13，苹果一直保持雷打不动的 1200万 像素“祖传配置”。这次 iPhone14 突然把像素提高到 4800 万，手机摄像头要开始加速内卷了。
这些年，智能手机虽有折叠屏的出现，但还没一直在探索，未达到年产千万部的拐点。那么，各手机厂商的性能比拼最后都落在了拍照上。决定手机拍照质量的有三个主要部件：图像传感器、镜头组、影像系统。其中，图像传感器最为重要。
图像传感器的江湖
传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，测量外界的感知变化，将感知到的非电学信号按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，最终完成物理信号到电信号的信息变换，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。而图像传感器是用感光元件把光信号转化成电信号，再把电信号转化成数字信号，传送给图像处理器。这个转化过程直接决定了最后的成像质量，所以非常重要。
从成本占比上看，图像传感器占了整个摄影模块一半以上成本；而整个摄影模块在手机当中，又是仅次于系统芯片和屏幕的第三大成本。也就是说，谁家的图像传感器质量更高、成本更低，谁就可以在智能手机内卷大战中占得重要先机。
▲ 图2：左-手机摄像头结构，右-手机摄像头成本构成
资料来源：Yole developpement 及网络资料
手机厂商的战争在于拍照质量，拍照质量的战争在于图像传感器，那么，图像传感器的江湖由谁在把控呢？众所周知，智能手机厂商随着各项专利技术、销量的聚合已形成品牌集中多年，而上游的图像传感器市场也高度集中，索尼、三星和豪威科技这三家头部图像传感器公司占了全球超过80%的市场份额。2021年它们各自的市场份额是：索尼45%、三星26%、豪威11%。最近十多年来，这三家在图像传感器市场明争暗斗、势力此消彼长，上演了一场精彩的三国杀。
简版图像传感器的商战史
从上世纪70年代图像传感器诞生至今，可以梳理出图像传感器共大战四大回合。
第一回合，豪威掀翻索尼
在1970至1990年代，图像传感器一直是日本厂商的天下，龙头厂商是索尼和松下。当时图像传感器的主流技术叫 CCD。CCD 的全称是 Charge-coupled Device（电荷耦合元件），它是一种能够把光学影像转化为电信号的半导体器件，这个转化由 CCD 感光片完成，感光片上植入了很多排列整齐的微小光敏物质 —— 像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。
美国人一直想挑战日本厂商在图像传感器领域的垄断地位，但一直没找到突破口。直到1995年，几个华人留学生在硅谷创办了豪威科技，他们用一种叫CMOS的新工艺取代了CCD工艺。下表对 CCD 技术和 CMOS 技术进行了简单比较：
▲ 图3：CCD 与 CMOS 技术对比
CMOS 图像传感器（CIS，CMOS Image Sensor）是将光子转换为电子进行数字处理，把图像信号转换为数字信号的芯片，主要用于在数码相机、数码闭路电视摄像机和数码摄像机中的创建图像，是数码摄像头的关键部件。
CMOS 图像传感器的成像质量相比 CCD 工艺稍微差一点，但成本和制造难度大幅降低。在上世纪90年代，正值个人消费电子兴起，这种更廉价、更易量产的CMOS 工艺一下子就打开了市场，成为图像传感器的主流技术。
豪威科技依靠先进的 CMOS 工艺，在 2007 年成功入选苹果供应链，成为最早的“果链”企业。苹果供应商的催化效应，使 CMOS 技术趋势日趋明朗，到2010年，豪威占据 CMOS 图像传感器市场50%的份额，尽管索尼也快速转向 CMOS 工艺，但还是比豪威慢了半拍，仅仅分到7%。
第二回合，索尼反杀豪威
正当豪威意气风发的时候，苹果为保证供应链的稳定性，在 2011 年推出的 iPhone4S 中，将图像传感器的第一供应商换成索尼，豪威遭大幅砍单。索尼的 IDM 优势为自己背书，自行设计，在自有晶圆厂生产；而豪威是 Fabless 厂商，只从事设计，生产外包给代工厂。从供货稳定性上说，显然是索尼更可靠。
拿下苹果大单后，为了进一步坐稳苹果“第一供应商”的地位，索尼进一步投入 1000 多亿日元进行 CMOS 工艺研发，终于在2013年，比豪威更先进的堆叠式CMOS工艺问世，反杀豪威。2014 年苹果推出 iPhone 6 时，全部型号的摄像头都采用索尼，豪威被彻底踢出苹果供应链。失去“果链”企业身份，豪威在图像传感器领域的市场份额从巅峰时的50%暴跌到不足10%。
▲ 图3：CMOS 图像传感器定义、工作原理及分类
资料来源：科普中国
第三回合，三星剑走偏锋
三星依靠自有应用市场发展 CMOS图像传感器技术，在索尼和豪威缠斗的时候趁势崛起，吃下了百分之十几的市场份额。但初期由于技术落后索尼太多，无法冲击高端，只能去抢占中低端市场。即便在三星自身的旗舰机型，还得采用索尼的传感器。
这种竞合模式的结束是在2019年，三星剑走偏锋，推出1亿像素传感器，成功引爆市场关注。不了解技术的消费者可能会认为，苹果用的索尼传感器才1200万像素，而三星直接搞出了1亿像素，这成像质量岂不是提高将近10倍？
其实不能这么简单对比。图像传感器最重要的是尺寸，尺寸越大、进光量就越多，成像质量就越好。如果尺寸不变，只是把同样的面积切割为更小的像素点，它们之间反而会相互影响，产生更多的热噪。因此，离开传感器尺寸单独谈像素，“不科学”。
▲ 图4：左-三星 CMOS 图像传感器 ISOCELL GN1，右-三星 CMOS 图像传感器收入
资料来源：Yole developpement 及网络资料
三星这波操作虽有噱头的成分，但“杀手级”的性价比，谁不心动？2000元的手机，像素参数竟然比苹果还牛得多。2019年，索尼的市场份额是48%，三星是18%，相差30个百分点；到2021年，差距已经缩小到了23个百分点；今年上半年，差距只剩16个百分点。三星正步步为营，紧逼索尼。
第四回合，豪威触底反弹
高端市场有索尼霸占，中低端市场有三星抢食，双雄挤压下，豪威竟然没有死且在触底反弹。怎么回事？这位没落的硅谷新贵，在2018年被中国半导体公司韦尔股份收购，变成了一家中国企业。当时国产手机的普遍配置是，向后的主摄像头用索尼或者三星传感器，而向前的副摄像头用其他像素更低的传感器。韦尔股份买入豪威，就是想主攻副摄像头市场。
意料之外的是，2018年中美贸易摩擦开始，中国手机芯片的国产替代开始加速。作为备胎的豪威传感器，不仅承担更重要的任务，也够争气，在技术上奋起直追，用两年时间拉近了与索尼、三星的差距。到2020年，华为和OPPO都开始大量采购豪威传感器，小米10的高端旗舰机更是主副摄像头全部换成豪威，豪威在国产手机摄像头中逐渐由备胎转正，并且正在重新挤进高端市场。
▲ 图5：左-豪威科技 OV64 图像传感器，右-韦尔股份 CMOS 图像传感器业务收入
资料来源：Yole developpement 及网络资料
顺便提一句，在图像传感器市场排名第四的企业，叫格科微。这是一家土生土长的中国企业，主攻1300万像素以下的低端市场。单从数量上说，目前格科微传感器的出货量已经是全球第一，一个月能卖出1亿片。
CMOS图像传感器还有哪些主流应用
CMOS 图像传感器的感光能力强、图像信号处理速度快的优势，在消费电子、汽车电子等领域形成多元化应用基础，且市场渗透率不断提高。随着智能手机摄像头的升级，以及汽车市场的高速增长，全球 CMOS 图像传感器市场规模持续走高。2021 年全市 CMOS 图像传感器销售额为 213 亿 美元，同比增长 2.89%；预计 2025 年全球 CMOS 图像传感器市场规模为 290 亿美元。
▲ 图6：CMOS 主要应用领域
资料来源：Yole developpement
最大的应用领域 — 智能手机
从下游应用领域来看，目前 CMOS 图像传感器最大市场为手机摄像头。一方面，智能手机的高分辨率需求及多摄模式配置率的不断提升，为 CMOS 图像传感器的市场增长提供了有力的需求支撑。另一方面，由于手机替代效应冲击，应用于数码影像设备的 CMOS 图像传感器需求下行，但未来＂多摄＋3D＂镜头配置将成为智能手机的主流解决方案，推动摄像头模组核心组件 CMOS 图像传感器的市场需求将进一步释放。
快速成长的应用市场 — 智能驾驶
在汽车电子领域， CMOS 图像传感器已经大规模地被安装在智能车载行车记录仪、前视及倒车影像、360°环视影像、防碰撞系统之内。而随着汽车电动化的趋势及自动驾驶技术的发展，更多的新车将标配 ADAS（高级自动驾驶辅助系统），单车平均搭载 CMOS 图像传感器数量也在显著增加。
▲ 图7：CMOS 图像传感器在汽车中的应用 资料来源：思特威官网
汽车市场是 CMOS 图像传感器增长最快的市场，也是厂商争相布局发展的市场。目前，车载 CMOS 图像传感器用量增长的主要动力来自于自动驾驶辅助系统，汽车辅助驾驶功能的升级，车辆需要的位置定位精确度增加，单车平均搭载 CMOS 图像传感器数量增加明显。L1/L2 级别自动驾驶的 CMOS 图像传感器数目为 6 个，而 L3、L4、L5 可分别达 13/29/32 个。当前，汽车生产商多把智能驾驶辅助作为主要发展方向，因此 L3、L4、L5 的渗透率也在逐步提升，预计到 2030 年，L3 级别以上自动驾驶渗透率将达将达 30%。
稳定增长的市场 — 安防监控
安防监控离不开视觉信息的获取，对图像传感器依赖较深，也是 CMOS 图像传感器市场增长较快的新兴行业领域之一。近五年来，安防视频监控在全球范围内的应用也逐步由发达国家向发展中国家延伸，整体规模保持着高速发展。国内市场，各级政府近年来对安防建设的重视已经让我国成为全球最大的安防视频监控产品制造地和全球最重要的安防监控市场之一，国内安防市场对包括 CMOS 图像传感器在内的安防监控产品的需求也由一线城市延伸至二、三线城市及农村地区。从技术角度看，闭路电视监控系统过去经历了录像带录像机（VCR）和数字视频录像机（DVR）等时代，最终迈入到如今的网络视频录像机（NVR） 阶段。在此过程中，视频监控系统的复杂度逐步提高，对 CMOS 图像传感器性能的要求也在不断升级，对于 CMOS 图像传感器在低照度光线环境成像、 HDR、高清/超高清成像、智能识别等成像性能方面提出了更高的要求。