博客
《佳能的工藝之殤 自產CMOS拖後腿？》2012年12月14日 11:25:54
文章出处是：
http://big5.xinhuanet.com/gate/big5/news.xinhuanet.com/foto/2012-12/14/c_124096317.htm
Fab（半導體工廠）是消費電子行業的基石，關于Fab的重要性，硅谷牛仔桑德斯曾經有過這樣一句名言：“有Fab，才是真男人”（所以，此人一手創辦的AMD現在已經變成了按摩店）。
半導體工廠（Fab）的投資是以10億美元為單位計算的，它是巨頭們實力的象徵
不過，Fab只是獲得競爭優勢的一個充分條件，而不是必要條件，有了Fab日子也不一定好過。影像半導體巨頭佳能最近就飽受這方面的困擾。最近chipworks發布公開了一些傳感器信息，我們發現佳能這個靠自產CMOS穩扎穩打的影像巨頭，半導體工藝居然長時間停滯在500nm線寬上，沒有Fab的尼康和徠卡卻早已飛躍到180nm和110nm：
工藝的滯後使得佳能全副傳感器像素尺寸停留在6微米級別，而尼康則已經達到4.75微米。這些數字背後意味著什麼？它對佳能的相機業務有多大影響？今天的新技術研習社，我們就來八一八佳能相機和佳能傳感器半導體工廠的那些事兒。
半導體工藝對數碼相機有什麼影響？
和我們熟悉的CPU/顯卡不同，數碼相機使用的CMOS/CCD傳感器很難受益于工藝制程的進步。在處理器、顯卡上，我們經常看到諸如“性能提升一倍、功耗下降一倍”等激烈的描述，但摩爾定律到了數碼相機領域卻行不通。
數碼相機傳感器上單個像素的尺寸暫時還比500nm大不少，而高感光性能可以通過更高精度的高性能模數轉換器（AD）改善。半導體工藝改進後的電路跟傳感器上面的像素根本就不是一一對應的，性能、功耗自然不會有太多變化。這也是佳能古老的半導體工藝保留到現在仍有較強生命力的原因。
所以，很多人會自然而然得出結論——佳能工藝老又如何？相機傳感器不是CPU，線寬對最終效果影響不大！但這個結論真的正確嗎？讓我們用數據來說話。
國外專業影像評測博客DXOmark整合了大部分傳感器和鏡頭的基本信息以及測試數據，可以很直觀的在線比較各種傳感器的性能，我們選取DXOmark的數據進行對比。
值得注意的是，DXOmark用作基準參考的並非照片100%放大下的細節，而是統一將照片縮小到800萬像素進行pk。對于低像素相機，這或許是不公平的；但對大部分用戶而言，這是相當實際的對比。因為即便是2560×1600的顯示器，也不能完全顯示100%放大800萬像素的圖片。
從上圖佳能5D單反相機家族對比中可以發現，5D係列總體來說在一步一個腳印的進步——起碼高感光性能提升明顯。這說明工藝不變就同時增加像素和改善高感光性能是完全可行的——至少，在一定范圍內可行。
然而，仔細觀察DXOmark的數據對比會發現，從5D2到5D3，色深指標的進步明顯小于從5D到5D2時的進步。在動態范圍方面，甚至發生了5D3不如5D2的倒退。是不是500nm工藝在這方面江郎才盡了呢？這時候需要橫向對比競爭對手，尼康前代旗艦D3X採用了索尼250納米工藝，最新的入門全副機D600是180納米，在半導體工藝角度分別比佳能的500納米領先了兩代和三代。他們的評分如下：
從數據中可以看出，像素接近的前提下，佳能最新的5D3面對老對手的四年前的旗艦只有高感光佔據一定優勢，動態范圍與色深全敗，而同一年登場的入門全副機D600則在三大指標中全面壓倒了5D3和D3X，工藝的影響比預計中要大。
關鍵中的關鍵——微透鏡
傳統膠片依靠單純的化學反應實現感光，感光部分的整體剖面是一個平面，入射的光線除了表面的反射損耗以外，大部分光都能被利用到。而CCD/CMOS傳感器原理和結構復雜得多，像素的概念實際是最小感光單元意思，數碼相機的傳感器上，每一個感光單元構造就像一口深井：
從側面剖開傳感器，就是這個樣子
像素結構剖面，這就是一口井，入射光經微透鏡匯聚，穿過單色濾鏡，才能到達像素點，在D4的傳感器中，這一路徑長度為9.6微米（D4像素這口深井，深度為9.6微米），D800則只有7微米。
可以看到，整塊傳感器中很多部分其實並不參與感光，加上同樣存在的表面反射和內部電路阻擋，入射光的效率會降低到40%。提高入射光的效率是各大廠商奮鬥的目標，光的利用率提升了，色純、動態范圍，高感光性能都可以獲得提升。
紅框框裏面才是每個“像素”真正的大小
現在以chipworks提供的尼康D4傳感器圖片作為案例，標明Pixel的紅方塊就是CMOS中真正可以感光的區域，四周的T1、包括VSS，都是輔助用的晶體管或者接口的位置，對比藍框和紅框會發現，一個像素所在的區域中，很大一部分面積無法用來感光，這是巨大的浪費。傳感器廠商很早就意識到這一問題，紛紛使用微透鏡將射到圖內紅藍框之間區域的光匯聚到像素這口深井中。
電子顯微鏡下D600 CMOS的微透鏡
每一次微透鏡改進，對傳感器性能都能有不小的提升，佳能從500D到550D的升級文檔曾經就描述過這一提升：
過去500D的傳感器中微透鏡之間是有間隙的，同時光路比較長使得光路只能覆蓋像素點的中央區域（開口太小），效率極低；在550D中微透鏡間不再有間隙，光路也更短，覆蓋了整個像素區域，入射光效率得到了大幅提升，直接剿滅了因為500D鬧得沸沸揚揚的“像素提升會帶來畫質下降”的說法。
DXOmark的數據忠實的記錄了這一改進，500D因為像素大幅提升導致的發色數下降，在550D/600D上得到了修正，高感光性能也著實提高了一檔，只是，動態范圍仍未改善。
同一時期，尼康相機傳感器由CCD轉向了CMOS，低端傳感器的工藝也從350納米時代推進到了180納米。我們在對比尼康相機數據是驚奇的發現，半導體工藝的升級給尼康傳感器的三大指標帶來了穩步提升，並且遠遠超過了佳能傳感器的表現，難道微透鏡不僅僅是覆蓋率和開口大小的問題？
線寬決定成敗
徠卡今年發布了新一代Leica M旁軸數碼相機，在它的技術文檔中，我們也許已經觸摸到本文的答案。
根據徠卡的技術文檔，我們發現傳統設計的微透鏡匯聚能力有限，斜射的光容易直接射到非感光區域（上圖）。更嚴重的是，經過不正確的折射，光線還可能會射到管壁的電路上造成反射，污染臨近像素，影響了色純，而色純直接影響了三大指標中色深和動態范圍。需要指出的是，目前為止除了連刷存在感都懶得做的4/3係統，單反相機中不存在垂直入射，尤其到了全副單反相機，反射光污染問題相當糟糕。
在Leica M身上，徠卡不惜成本的改進了微透鏡結構（上圖），增大了透鏡半徑，保證了Leica M的高畫質。
徠卡M的全畫幅傳感器，意法半導體110納米工藝的技術結晶
這一極端案例中，不可忽視的是半導體工藝的影響因素——Leica M的傳感器採用了意法半導體的110納米工藝制作，對幾微米直徑微透鏡而言，使用500納米的刀還是110納米的刀去雕琢，差距就顯現了——線寬越小、越精細的半導體工藝，越容易在低成本下做出令人滿意的微透鏡，而微透鏡的好壞會直接影響傳感器最終性能表現，這就是尼康傳感器暫時全面領先佳能的主因。
即使到了不惜工本的高端傳感器層面，佳能仍然只能在高感光性能上咬住尼康（高感光性能主要依靠後處理算法實現，說白了就是拼相機處理器的性能）。幸好1DX的定位權重最高的是高感光，佳能在1DX裏面塞進了兩顆DIGIC5+處理器和一顆DIGIC4，總算跟單處理器的D4在高感光領域打成平手。而面對D800這種高像素高寬容度高畫質的怪物，佳能幹脆兩手一攤——老子不跟你玩就是了。
尼康D800的CMOS使用了索尼180nm工藝，有效像素高達3600萬，讓佳能的像素挑釁徹底歇菜。
佳能的工藝困境
佳能的半導體工藝是否已到了極限？650D的發布給出了答案：600D升級到650D，單個像素大小沒有變化，仍然是4.2微米（1800萬像素的佳能APS傳感器像素直徑為4.2微米），佳能只是引入了類似于Nikon 1係列微單相機那樣的傳感器片上對焦模塊，但沒想到的是，這一小小的改進帶來了災難性的後果，650D傳感器各項指標均有下降：
難得一見的倒退出現了，當初被人詬病的500D倒退好歹在高感光上還能維持，這回是全面崩盤，更復雜的電路，更多的晶體管已經壓垮了佳能的工藝，4.2微米的像素大小幾乎成了佳能的極限。另一方面，對手們去年已經鋪開了3.8微米像素的傳感器，所以，半導體工藝已經像鬼一樣纏上了佳能。
能自產傳感器的工廠曾經是佳能的救星，現在卻成了累贅
那麼，佳能為啥不奮起直追，引入新的半導體工藝呢？對于巴黎統籌委員會內部的國家而言，最新的半導體工藝和技術都是能擺在臺面上交易的商業問題。佳能只要肯花錢，肯定可以買到最新最好的技術，來讓自己老舊的Fab煥發活力。但——問題就出在錢上。
成也蕭何敗也蕭何
前面我們已經提到，對于任何廠商而言，Fab都是一筆非常、非常、非常大的投資。英特爾計劃于2013年在美國俄勒岡州建立名為Fab D1X的新晶圓廠，投資大約是60-80億美元。而依照摩爾定律，半導體技術每天都在以恐怖的速度向前發展，一個嶄新Fab生命周期大概也就是3-5年，即使相機傳感器領域的更新換代沒有這麼快，5-7年也肯定要淘汰。
Fab裏每一臺設備的投資都是以千萬、億為單位計算的
英特爾在處理器市場幾乎只手遮天，它的Fab每年都有著持續、穩定的需求，可以保持滿負荷咿D，所以英特爾可以放心大膽的擴建Fab。問題是：佳能能做到這一點嗎？佳能半導體工廠的客戶只有一個——就是它自己。再看看如日中天的索尼半導體（佳能自家很多低端相機的CMOS就來自索尼），看看虎視眈眈的Aptina、PANA，答案恐怕沒這麼簡單。
英特爾的案例告訴我們，半導體不是窮人玩得起的
曾經的佳能靠自產自銷傳感器硬是挺過了競爭者的圍剿，1DS、300D、5D這些劃時代意義的產品都直接歸功于這個功勳工廠，而今，它卻成了佳能的累贅。目前，老對頭尼康的相機傳感器已經全線邁入180nm陣線，索尼甚至已經開始投產新一代90納米CMOS工藝，用于最新的手機和便攜式相機傳感器制造。
有消息說佳能已經投產了180納米的新工藝，現在正在進行測試，希望這是真的。佳能應該趕快將新工藝制造的傳感器投入到單反領域，沒有佳能的相機世界是無趣的。
老兵永遠不死，只會慢慢凋零，現在時間緊迫，佳能必須加快步伐，否則凋零的就是佳能自己。
http://big5.xinhuanet.com/gate/big5/news.xinhuanet.com/foto/2012-12/14/c_124096317.htm
Fab（半導體工廠）是消費電子行業的基石，關于Fab的重要性，硅谷牛仔桑德斯曾經有過這樣一句名言：“有Fab，才是真男人”（所以，此人一手創辦的AMD現在已經變成了按摩店）。
半導體工廠（Fab）的投資是以10億美元為單位計算的，它是巨頭們實力的象徵
不過，Fab只是獲得競爭優勢的一個充分條件，而不是必要條件，有了Fab日子也不一定好過。影像半導體巨頭佳能最近就飽受這方面的困擾。最近chipworks發布公開了一些傳感器信息，我們發現佳能這個靠自產CMOS穩扎穩打的影像巨頭，半導體工藝居然長時間停滯在500nm線寬上，沒有Fab的尼康和徠卡卻早已飛躍到180nm和110nm：
工藝的滯後使得佳能全副傳感器像素尺寸停留在6微米級別，而尼康則已經達到4.75微米。這些數字背後意味著什麼？它對佳能的相機業務有多大影響？今天的新技術研習社，我們就來八一八佳能相機和佳能傳感器半導體工廠的那些事兒。
半導體工藝對數碼相機有什麼影響？
和我們熟悉的CPU/顯卡不同，數碼相機使用的CMOS/CCD傳感器很難受益于工藝制程的進步。在處理器、顯卡上，我們經常看到諸如“性能提升一倍、功耗下降一倍”等激烈的描述，但摩爾定律到了數碼相機領域卻行不通。
數碼相機傳感器上單個像素的尺寸暫時還比500nm大不少，而高感光性能可以通過更高精度的高性能模數轉換器（AD）改善。半導體工藝改進後的電路跟傳感器上面的像素根本就不是一一對應的，性能、功耗自然不會有太多變化。這也是佳能古老的半導體工藝保留到現在仍有較強生命力的原因。
所以，很多人會自然而然得出結論——佳能工藝老又如何？相機傳感器不是CPU，線寬對最終效果影響不大！但這個結論真的正確嗎？讓我們用數據來說話。
國外專業影像評測博客DXOmark整合了大部分傳感器和鏡頭的基本信息以及測試數據，可以很直觀的在線比較各種傳感器的性能，我們選取DXOmark的數據進行對比。
值得注意的是，DXOmark用作基準參考的並非照片100%放大下的細節，而是統一將照片縮小到800萬像素進行pk。對于低像素相機，這或許是不公平的；但對大部分用戶而言，這是相當實際的對比。因為即便是2560×1600的顯示器，也不能完全顯示100%放大800萬像素的圖片。
從上圖佳能5D單反相機家族對比中可以發現，5D係列總體來說在一步一個腳印的進步——起碼高感光性能提升明顯。這說明工藝不變就同時增加像素和改善高感光性能是完全可行的——至少，在一定范圍內可行。
然而，仔細觀察DXOmark的數據對比會發現，從5D2到5D3，色深指標的進步明顯小于從5D到5D2時的進步。在動態范圍方面，甚至發生了5D3不如5D2的倒退。是不是500nm工藝在這方面江郎才盡了呢？這時候需要橫向對比競爭對手，尼康前代旗艦D3X採用了索尼250納米工藝，最新的入門全副機D600是180納米，在半導體工藝角度分別比佳能的500納米領先了兩代和三代。他們的評分如下：
從數據中可以看出，像素接近的前提下，佳能最新的5D3面對老對手的四年前的旗艦只有高感光佔據一定優勢，動態范圍與色深全敗，而同一年登場的入門全副機D600則在三大指標中全面壓倒了5D3和D3X，工藝的影響比預計中要大。
關鍵中的關鍵——微透鏡
傳統膠片依靠單純的化學反應實現感光，感光部分的整體剖面是一個平面，入射的光線除了表面的反射損耗以外，大部分光都能被利用到。而CCD/CMOS傳感器原理和結構復雜得多，像素的概念實際是最小感光單元意思，數碼相機的傳感器上，每一個感光單元構造就像一口深井：
從側面剖開傳感器，就是這個樣子
像素結構剖面，這就是一口井，入射光經微透鏡匯聚，穿過單色濾鏡，才能到達像素點，在D4的傳感器中，這一路徑長度為9.6微米（D4像素這口深井，深度為9.6微米），D800則只有7微米。
可以看到，整塊傳感器中很多部分其實並不參與感光，加上同樣存在的表面反射和內部電路阻擋，入射光的效率會降低到40%。提高入射光的效率是各大廠商奮鬥的目標，光的利用率提升了，色純、動態范圍，高感光性能都可以獲得提升。
紅框框裏面才是每個“像素”真正的大小
現在以chipworks提供的尼康D4傳感器圖片作為案例，標明Pixel的紅方塊就是CMOS中真正可以感光的區域，四周的T1、包括VSS，都是輔助用的晶體管或者接口的位置，對比藍框和紅框會發現，一個像素所在的區域中，很大一部分面積無法用來感光，這是巨大的浪費。傳感器廠商很早就意識到這一問題，紛紛使用微透鏡將射到圖內紅藍框之間區域的光匯聚到像素這口深井中。
電子顯微鏡下D600 CMOS的微透鏡
每一次微透鏡改進，對傳感器性能都能有不小的提升，佳能從500D到550D的升級文檔曾經就描述過這一提升：
過去500D的傳感器中微透鏡之間是有間隙的，同時光路比較長使得光路只能覆蓋像素點的中央區域（開口太小），效率極低；在550D中微透鏡間不再有間隙，光路也更短，覆蓋了整個像素區域，入射光效率得到了大幅提升，直接剿滅了因為500D鬧得沸沸揚揚的“像素提升會帶來畫質下降”的說法。
DXOmark的數據忠實的記錄了這一改進，500D因為像素大幅提升導致的發色數下降，在550D/600D上得到了修正，高感光性能也著實提高了一檔，只是，動態范圍仍未改善。
同一時期，尼康相機傳感器由CCD轉向了CMOS，低端傳感器的工藝也從350納米時代推進到了180納米。我們在對比尼康相機數據是驚奇的發現，半導體工藝的升級給尼康傳感器的三大指標帶來了穩步提升，並且遠遠超過了佳能傳感器的表現，難道微透鏡不僅僅是覆蓋率和開口大小的問題？
線寬決定成敗
徠卡今年發布了新一代Leica M旁軸數碼相機，在它的技術文檔中，我們也許已經觸摸到本文的答案。
根據徠卡的技術文檔，我們發現傳統設計的微透鏡匯聚能力有限，斜射的光容易直接射到非感光區域（上圖）。更嚴重的是，經過不正確的折射，光線還可能會射到管壁的電路上造成反射，污染臨近像素，影響了色純，而色純直接影響了三大指標中色深和動態范圍。需要指出的是，目前為止除了連刷存在感都懶得做的4/3係統，單反相機中不存在垂直入射，尤其到了全副單反相機，反射光污染問題相當糟糕。
在Leica M身上，徠卡不惜成本的改進了微透鏡結構（上圖），增大了透鏡半徑，保證了Leica M的高畫質。
徠卡M的全畫幅傳感器，意法半導體110納米工藝的技術結晶
這一極端案例中，不可忽視的是半導體工藝的影響因素——Leica M的傳感器採用了意法半導體的110納米工藝制作，對幾微米直徑微透鏡而言，使用500納米的刀還是110納米的刀去雕琢，差距就顯現了——線寬越小、越精細的半導體工藝，越容易在低成本下做出令人滿意的微透鏡，而微透鏡的好壞會直接影響傳感器最終性能表現，這就是尼康傳感器暫時全面領先佳能的主因。
即使到了不惜工本的高端傳感器層面，佳能仍然只能在高感光性能上咬住尼康（高感光性能主要依靠後處理算法實現，說白了就是拼相機處理器的性能）。幸好1DX的定位權重最高的是高感光，佳能在1DX裏面塞進了兩顆DIGIC5+處理器和一顆DIGIC4，總算跟單處理器的D4在高感光領域打成平手。而面對D800這種高像素高寬容度高畫質的怪物，佳能幹脆兩手一攤——老子不跟你玩就是了。
尼康D800的CMOS使用了索尼180nm工藝，有效像素高達3600萬，讓佳能的像素挑釁徹底歇菜。
佳能的工藝困境
佳能的半導體工藝是否已到了極限？650D的發布給出了答案：600D升級到650D，單個像素大小沒有變化，仍然是4.2微米（1800萬像素的佳能APS傳感器像素直徑為4.2微米），佳能只是引入了類似于Nikon 1係列微單相機那樣的傳感器片上對焦模塊，但沒想到的是，這一小小的改進帶來了災難性的後果，650D傳感器各項指標均有下降：
難得一見的倒退出現了，當初被人詬病的500D倒退好歹在高感光上還能維持，這回是全面崩盤，更復雜的電路，更多的晶體管已經壓垮了佳能的工藝，4.2微米的像素大小幾乎成了佳能的極限。另一方面，對手們去年已經鋪開了3.8微米像素的傳感器，所以，半導體工藝已經像鬼一樣纏上了佳能。
能自產傳感器的工廠曾經是佳能的救星，現在卻成了累贅
那麼，佳能為啥不奮起直追，引入新的半導體工藝呢？對于巴黎統籌委員會內部的國家而言，最新的半導體工藝和技術都是能擺在臺面上交易的商業問題。佳能只要肯花錢，肯定可以買到最新最好的技術，來讓自己老舊的Fab煥發活力。但——問題就出在錢上。
成也蕭何敗也蕭何
前面我們已經提到，對于任何廠商而言，Fab都是一筆非常、非常、非常大的投資。英特爾計劃于2013年在美國俄勒岡州建立名為Fab D1X的新晶圓廠，投資大約是60-80億美元。而依照摩爾定律，半導體技術每天都在以恐怖的速度向前發展，一個嶄新Fab生命周期大概也就是3-5年，即使相機傳感器領域的更新換代沒有這麼快，5-7年也肯定要淘汰。
Fab裏每一臺設備的投資都是以千萬、億為單位計算的
英特爾在處理器市場幾乎只手遮天，它的Fab每年都有著持續、穩定的需求，可以保持滿負荷咿D，所以英特爾可以放心大膽的擴建Fab。問題是：佳能能做到這一點嗎？佳能半導體工廠的客戶只有一個——就是它自己。再看看如日中天的索尼半導體（佳能自家很多低端相機的CMOS就來自索尼），看看虎視眈眈的Aptina、PANA，答案恐怕沒這麼簡單。
英特爾的案例告訴我們，半導體不是窮人玩得起的
曾經的佳能靠自產自銷傳感器硬是挺過了競爭者的圍剿，1DS、300D、5D這些劃時代意義的產品都直接歸功于這個功勳工廠，而今，它卻成了佳能的累贅。目前，老對頭尼康的相機傳感器已經全線邁入180nm陣線，索尼甚至已經開始投產新一代90納米CMOS工藝，用于最新的手機和便攜式相機傳感器制造。
有消息說佳能已經投產了180納米的新工藝，現在正在進行測試，希望這是真的。佳能應該趕快將新工藝制造的傳感器投入到單反領域，沒有佳能的相機世界是無趣的。
老兵永遠不死，只會慢慢凋零，現在時間緊迫，佳能必須加快步伐，否則凋零的就是佳能自己。
