〈cmos是什么〉cmos是什么传感器…

差不多一个月前，我们三二生活曾批评过某旗舰摄影手机，是当时世界上最先进的CMOS(图像传感器)，在DXO评价中得分不到前30名。

我们当时那篇文章的本意是想告诉大家，智能手机的拍照不能全看硬件配置，算法及调校也同样是非常重要的因素。

但是令我们没有想到的是，此文章发出后，我们受到了一部分网友的批评和质疑，他们认为我们在乱讲。其理由则是我们在文中曾有这样的表述：

原文截图

是的，我们提到了索尼IMX445与三星SAK2L4分属于“第六代”和“第四代”CMOS架构，这的确造成了一部分读者的困惑。因为在他们的认知中，以索尼为代表的智能手机CMOS至今为止应该只经历过三代变迁，那么这第六代的说法又从何而来呢？

首先，这是个市场宣传所引发的误解

要弄明白这个问题，首先我们要知道，大家一般认为的“三代”影像传感器具体指的是哪三代。答案很简单，无非就是索尼的Exmor、Exmor R和Exmor RS，也就是前照式、背照式和堆叠式三大“驰名商标”。无论是从诞生时间还是从技术上来说，这三种CMOS设计的确存在着前后更迭关系，称之为三个代次没有什么毛病。

但是以上的看法存在一个很大的局限性，那就是只以索尼家的商标作为CMOS代次区分的依据，却并没有深究这许多年以来整个CMOS影像传感器行业，真正在技术上的改进和变迁节点。说得更直白一点，就是索尼用商标把CMOS分了三代，但CMOS的技术真的就只能按照索尼的分类法吗？就算是索尼，是不是也存在着实际上技术已经换代，却并没有对外宣扬的情况呢？

没错，问题就出在这里了。事实上除了索尼的分类法之外，在CMOS行业，还存在着另外一种根据传感器制造工艺和结构来进行代数划分的，更为专业的标准。而理解了它，你实际上也就理解了CMOS影像传感器这个在半导体行业中，非常特别的存在。

其次，CMOS的结构让制造成为难题

CMOS影像传感器（简称CIS，即CMOS Image Sensor）的工作原理是什么？在此前科普三星GW1的“双转换增益电路”时，我们就曾经为大家进行过相关的解释。简单来说，当光线从镜头射入传感器上的微透镜之后，存在着光信号-电信号、电信号-数字信号的两次转换过程。其中从光到电的转换由感光单元、电容（电荷阱）、模拟功放电路三大部分组成；而电信号到数字信号的转换则是ADC（模数转换器）的“专长”。

这意味着，对于任何一个传统的、典型的CMOS影像传感器来说，它实际上都是由“模拟电路”和“数字电路”两部分区块组成的。其中感光部分是模拟电路，而电信号转数字信号（包括某些带有缓存的CMOS之后对图像数字信息的存储操作）则是在数字电路上进行。但如此一来，问题就出现了。

初中物理的常识告诉我们，模拟电路中电缆越粗，则电阻越小，线损越少。这意味者CMOS的模拟电路反而不宜使用过于“纤细”的制程——比较老的制程，电阻反而会更小，阱容也可以做的更大。可与此同时，半导体行业的共识却是，数字电路制程越先进越好，因为运行频率（计算性能）和能效比都可以随之大幅提高。很显然这意味着对于CMOS来说，自身构造的“前半截”和“后半截”对于制造工艺的要求，实际上是完全相反的。

那么，如何解决这个制造上的难题呢？最早面临这一难题的佳能，选择的办法是放弃数字部分的制程去迁就模拟部分的画质，所以从此之后“佳能CMOS制程烂”就成为了业内知名的梗。但是很显然，其他的CMOS厂商脑子没这么死板，而且伴随着背照式设计的出现，CMOS影像传感器从“上”到“下”，从感光到模拟电路到模数转换的分层结构变得前所未有的清晰，而这也就终于给一种全新的CMOS制造方式带来了机会。

一块CMOS多个制程？六代划分就是这么来的

是的，这就是现代CMOS影像传感器的多制程制造方式。通俗来说，就是把过去只用一块晶圆来制造CMOS，把模拟和数字电路“刻在一起”的方式，改成了用多块晶圆，多种制程分别制造不同部位，事后再“拼起来”的方式。如此一来，对于不需要（也不能）用先进工艺制造的模拟部分，可以继续使用老旧的65nm、90nm甚至130nm制造，能够带来更好的模拟信号精准度。而对于模数转换器、缓存等部件，则可以放开手脚以最新的1x nm工艺制造，让数字信号转换和处理速度提示数十倍之多。

如此一来，我们在文章开头处所提到的，基于制造工艺和结构来对CMOS影像传感器划分代数的标准就终于“上线”了。正如大家在图中所看到的那样，最初的背照式CMOS被认定为第一代产品，之后就是采用两种不同制程硅晶圆堆叠，彼此之间采用TSV（硅穿孔）工艺连接的第二代结构，在之后则是同样两层堆叠，但连接工艺从TSV改成DBI（硅片直接键合，相当于用热压使得硅片上的铜导线部分直接“粘”在一起）的第三代。之后，是加入了DRAM缓存结构和双增益转换机构，硅片堆叠层数变成三层，但连接方式改回硅穿孔的第四代；然后是从第三代基础上发展而来，依然只有两层晶圆，但连接方式进一步进化为每个像素之间精密键合堆叠的第五代。最后，则是这张图上未能画出的，同时使用了集成DRAM、双模拟转换增益、三层硅片以及内部键合互联的，最新最强的第六代。

看懂了上面这段文字，让我们回想一下文章开头那曾经引起争议和不解的，我们对于三星SAK2L4和索尼IMX445架构的介绍文字。其中，三星SAK2L4属于第四代CMOS结构，这意味着它内置了双增益转换、具备能实现非插帧960FPS超高速摄像的片上DRAM缓存，因此必须采用三层不同制程的硅晶圆。但在这三层硅晶圆的互联方式上，三星SAK2L4采用的是TSV（硅穿孔）工艺，这意味着它的体积会比较大，电路延迟和干扰也会（比IMX445）高一点。

相比之下，索尼的IMX445在影像和功能部分都与SAK2L4一致，但区别就在于它的三层硅晶圆采用了更加黑科技的键合连接（原子力或分子力直接结合），这可以进一步节约CMOS面积，同时缩短电路长度，降低微观层面上的通信延迟和干扰。因此理论上，IMX445的画质和工艺都达到了目前CMOS的顶级水准。我们此前对于它和SAK2L4的工艺代数的说明并无错误，只是解释得不够充分，以至于让习惯了商业宣传的部分读者产生了误解。

当然，把事情说清楚其实理解起来也就毫无困难了。而且这也再一次提醒了我们两个事实：一是并非CMOS越先进的智能手机产品拍照就一定越好，二是对于索尼的CMOS来说，产品的性能指标、技术先进程度和它们的名称，其实并没有什么必然的联系。

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