CMOS浮沉：從雙雄纏斗到國產(chǎn)替代

某種意義上當代手機的戰爭，已經(jīng)變成了拍照的戰爭。

從單攝到4攝，從800萬(wàn)像素到1億像素，在沒(méi)有革命性變化的今天，夜里自拍還能自動(dòng)美顏的拍照效果成了各個(gè)品牌差異化的主戰場(chǎng)。

這邊，華為、小米一眾手機企業(yè)打得熱火朝天，但根本上，手機拍照性能的好壞，手機廠(chǎng)商跑分與宣傳只是表面功夫，真正決定了一部手機拍照功能好壞的，是一個(gè)叫做CMOS圖像傳感器的芯片。

所謂圖像傳感器，可以將鏡頭捕捉的光信號，轉換成機器可以讀懂的數字信號。也就是把真實(shí)的世界，畫(huà)進(jìn)芯片的世界。一般來(lái)說(shuō)，傳感器面積越大，畫(huà)布面積就越大，能繪畫(huà)的細節就越多，其性能的好壞直接影響攝像質(zhì)量，相當攝像頭的“眼睛”。

這塊芯片體積不大，卻占整個(gè)攝像頭模組52%的成本價(jià)值，而攝像頭模組，又往往是一個(gè)手機之中，僅次于SoC芯片與屏幕之外，第三大成本來(lái)源。

目前，能生產(chǎn)這塊“畫(huà)布”的除了讓蘋(píng)果、華為、小米卷起來(lái)的索尼，還有三星和豪威（OmniVision），共計三大玩家。

而全球手機圖像傳感器的歷史，則可以概括為索尼與豪威的纏斗，三星坐收漁翁之利的總結。

過(guò)程當中，技術(shù)的更迭與產(chǎn)能的變化，相繼將不同企業(yè)相繼推上王座；豪威也在這一期間，從美國企業(yè)成為中國公司，帶領(lǐng)中國的CMOS打響了另一場(chǎng)從無(wú)到有，沖擊王座的戰爭：

上世紀70-90年代，全球的圖像傳感器市場(chǎng)一度被日本壟斷長(cháng)達20余年時(shí)間。

那一時(shí)期，全球的圖像傳感器產(chǎn)品主要以高像素、高生產(chǎn)制造難度的CCD（電荷耦合器件圖像傳感器）器件為主流，索尼與松下正是其中佼佼者。

而憑借著(zhù)在CCD與存儲領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，日本也一度占據了全球超過(guò)半數的半導體生產(chǎn)，全球的前10大半導體公司中,日本也一度獨占6家。

而作為發(fā)明了CCD的美國人，自然不甘心市場(chǎng)旁落。日本稱(chēng)霸20多年時(shí)間里，美國企業(yè)一直在尋找一種替代技術(shù)，既能夠做到CCD的高品質(zhì)成像，同時(shí)這種技術(shù)的生產(chǎn)難度與成本，還要低到美國企業(yè)足以將傳統的CCD挑落馬下。

1995年，幾位來(lái)自中國的華人留學(xué)生在硅谷創(chuàng )辦的一家叫做豪威的企業(yè)，為美國帶來(lái)了希望。

這家年輕的企業(yè)，一直試圖將傳統的CMOS工藝（互補金屬氧化物半導體圖像傳感器），用在圖像傳感器中取代傳統CCD的地位。

CCD與CMOS區別

如果將兩種工藝進(jìn)行直觀(guān)對比，在當時(shí)的工藝條件下，CMOS的成像質(zhì)量較CCD稍差，但卻可以做到功耗和成本的極大降低，更適合用在當時(shí)方興未艾的消費電子市場(chǎng)。當年豪威把產(chǎn)品參加業(yè)界著(zhù)名的Comdex電腦展，被眾多臺灣客戶(hù)采購后，僅僅一個(gè)月就實(shí)現了量產(chǎn)[1]。

也是自此，CMOS技術(shù)逐漸成為圖像傳感器市場(chǎng)主流。風(fēng)光無(wú)兩的豪威開(kāi)始駛向快車(chē)道，并于2000年成功納斯達克上市，2007年切入蘋(píng)果手機，成為最早的蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)。

但CMOS的戰爭，才剛剛拉開(kāi)大幕的一角。

2000年豪威在納斯達克上市的同時(shí)，老法師索尼也終于放下了看家的CCD轉向CMOS市場(chǎng)。

與當年獨霸CCD市場(chǎng)形成鮮明對比的是，轉型十年后，一直到2010年，索尼在CMOS市占也僅有7%，而新秀豪威的市占率，卻已經(jīng)高達50%。

誰(shuí)也不曾想，變革發(fā)生的如此迅猛：2011年10月，蘋(píng)果推出iPhone4S。發(fā)布會(huì )前，有媒體爆料豪威不再“連莊”蘋(píng)果后置主攝，會(huì )被索尼代替。

那時(shí)，很多人都以為這只是個(gè)不知哪里傳出的FakeNews，卻不曾想，在發(fā)布會(huì )的當天，蘋(píng)果用實(shí)際行動(dòng)證明了留言的真實(shí)性。最新款iPhone4S，蘋(píng)果將大幅減少豪威的供貨占比，轉而扶持索尼，成為蘋(píng)果的CMOS一供。

不是蘋(píng)果始亂終棄，而是面對萬(wàn)人空巷搶蘋(píng)果的需求暴漲，豪威的技術(shù)雖領(lǐng)先，產(chǎn)能卻早已跟不上蘋(píng)果的步伐。這背后涉及到了半導體生產(chǎn)的兩種經(jīng)典模式，IDM與Fabless。

1. 索尼采取IDM模式：即從生產(chǎn)制造、設計、封裝測試，全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節自己一手包辦。這種模式優(yōu)勢是生產(chǎn)能力強，能全方位滿(mǎn)足客戶(hù)需求，但劣勢是企業(yè)資產(chǎn)重、投資成本巨大。

2. 豪威采取Fabless模式：企業(yè)只負責設計研發(fā)，但生產(chǎn)和封測環(huán)節外包給第三方完成。這種做法的優(yōu)勢是投資小，能減少生產(chǎn)環(huán)節的巨大資金和人力成本，可以集中資金進(jìn)行技術(shù)升級，但劣勢是存在產(chǎn)能風(fēng)險。

擁有自建工廠(chǎng)的索尼，毫不掩飾對擴張的野心：2011年，索尼一度在熊本和長(cháng)崎研發(fā)中心投入400和1000億日元研發(fā)CMOS，以應對市場(chǎng)需求的暴增。

反觀(guān)豪威，雖然輕資產(chǎn)運營(yíng)，但面對突然間的需求暴漲，沒(méi)有自己晶圓廠(chǎng)的豪威，自然只能默默吃下啞巴虧，從一供滑落二供。

之后在2013年，又研發(fā)出比豪威更先進(jìn)的堆疊式CMOS，趁著(zhù)豪威還未實(shí)現技術(shù)追趕，讓工人加班加點(diǎn)生產(chǎn)，進(jìn)一步坐穩了蘋(píng)果CMOS一供的大哥地位。

而豪威這邊，盡管從2011年蘋(píng)果推出iPhone4S和iPhone5后置攝像頭開(kāi)始采用索尼CMOS，但為保留情面，前置攝像頭也依然采用豪威方案。而索尼正式形成技術(shù)+產(chǎn)能的雙次反攻之后，從iPhone6開(kāi)始，所有型號的iPhone，無(wú)論前后攝像頭，蘋(píng)果全部采用索尼CMOS，豪威自此被徹底踢出果鏈。

2011年后，豪威與索尼CMOS業(yè)績(jì)一上一下

產(chǎn)業(yè)模式造就索尼和豪威不同結局，2012年后，豪威市占率從老大滑落到老三只有11%，索尼完全承接豪威之前的高端市場(chǎng)客戶(hù)，市占率達到40%以上。而三星趁索尼和豪威纏斗時(shí)，則憑借著(zhù)終端的支持，以及最新的ISOCELL技術(shù)，從兩大巨頭的地盤(pán)中，撕下了20%的市場(chǎng)份額。

到這里，CMOS雙強鼎立的格局已定，好像也沒(méi)豪威啥事了，但故事還沒(méi)結束。

2013年，豪威在高端市場(chǎng)打不過(guò)索尼，開(kāi)始轉戰中國做中低端市場(chǎng)，到2019年還被中國半導體企業(yè)韋爾股份收購。按照打敗仗-被收購劇情發(fā)展，豪威大概率會(huì )步向衰落，但為什么豪威現在不僅沒(méi)死，甚至還有追趕索尼的可能？

這與CMOS圖像傳感器的性質(zhì)有關(guān)。CMOS是一個(gè)特殊的產(chǎn)品，大家都知道，傳統的數字芯片例如CPU、GPU靠先進(jìn)的制程為王，而例如射頻、電源管理芯片等模擬芯片則更依賴(lài)于老師傅的經(jīng)驗積累。但CMOS偏偏是一個(gè)“雙頭鷹”：它是模擬和數字電路的集成。

在模擬這一側，它要感知光的細微變化，把光信號變成電信號。但單個(gè)像素是微米級別的大小，因此模擬芯片并不要求特別先進(jìn)的制程。

但同時(shí)，CMOS還需要將電信號還得轉換成手機SoC能讀懂的數字信號，這一部分是由后半部分的集成在CMOS上的數字芯片部分實(shí)現。

由于成像的關(guān)鍵在于前半部分，而手機像素的最佳數量也長(cháng)期停在1200萬(wàn)像素，因此索尼自己運營(yíng)工廠(chǎng)不但能輕松搞定，還能積累大量行業(yè)經(jīng)驗，無(wú)論是成本還是技術(shù)，都能占優(yōu)。

直到最近幾年，以三星為首的傳感器廠(chǎng)商，祭出了“小像素”的技術(shù)路線(xiàn)，追求更小的像素大小，以及更高的像素目睹，以性?xún)r(jià)比路線(xiàn)抄到了索尼的后路。

在這一趨勢下，三星和豪威，先后將像素做到了0.8微米以下，讓同樣尺寸的傳感器，像素數量驟然上升，以前只能做到2000萬(wàn)、或者4000萬(wàn)的傳感器，一下拉到了4800萬(wàn)，甚至6400萬(wàn)、一億的像素，這一下帶給了消費者滿(mǎn)滿(mǎn)的滿(mǎn)足感：3000塊買(mǎi)的手機，只看參數的話(huà)，比蘋(píng)果的像素還能高出幾倍。

（即使是索尼，也利用小像素在CMOS面積不變的情況下，增加了像素）

這就讓索尼陷入了兩難，跟吧，自己一直在用老設備練工藝，做小像素就得換先進(jìn)制程的新設備，自己的不少經(jīng)驗就被抹掉了，不跟吧，主打新價(jià)比的手機市場(chǎng)就開(kāi)始被蠶食。

而對于豪威，則利用臺積電的先進(jìn)工藝，快速的切入了對小像素有龐大需求的3000元以下市場(chǎng)，開(kāi)始打破索尼的銅墻鐵壁。

一邊是技術(shù)路線(xiàn)的演進(jìn)，另一方面CMOS乃至整個(gè)半導體產(chǎn)業(yè)的格局也正在發(fā)生變化。比如，臺積電的誕生，使半導體產(chǎn)業(yè)有了垂直專(zhuān)業(yè)分工可能，10年前索尼的IDM模式具備優(yōu)勢，但隨著(zhù)臺積電在產(chǎn)能和工藝水平日益靠前，索尼的工廠(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始追不上臺積電。

于是，臺積電成為豪威和索尼發(fā)展分水嶺，可分兩個(gè)時(shí)間段分析：

1. 2010年時(shí)期：CMOS主要比拼產(chǎn)能和設計技術(shù)，這一階段，豪威采取Fabless模式，把生產(chǎn)交給臺積電。索尼采取IDM模式，那時(shí)索尼工廠(chǎng)的CMOS代工水平比臺積電更強，在設計方面，索尼CMOS產(chǎn)品也比豪威先進(jìn)，所以這個(gè)時(shí)期索尼完全碾壓豪威。

2. 2020年時(shí)期：這一階段，臺積電的不僅在晶圓的產(chǎn)能和工藝上成為全行業(yè)第一，還擁有小像素所需的40-28nm的CMOS工藝。

由于芯片需求旺盛，這兩年索尼開(kāi)始無(wú)法滿(mǎn)足客戶(hù)產(chǎn)能需求，而且自有55nm工藝性能逐漸達到瓶頸，索尼的自建工藝生產(chǎn)壁壘開(kāi)始削弱。所以在2019年底，索尼首度外放高端芯片訂單給臺積電補充產(chǎn)能，還能導入臺積電28nm制程。

換言之，在CMOS生產(chǎn)環(huán)節，豪威跟索尼開(kāi)始站在同一起跑線(xiàn)，這為豪威追趕索尼提供了可能性。而且，沒(méi)落已久的豪威，也在2019年遇到一個(gè)新的機遇:：來(lái)自大陸的韋爾集團這一年以153億資金將豪威收入囊中。韋爾收購豪威后大力投入研發(fā)，在2019、2020年分別突破4800、6400萬(wàn)像素技術(shù)，在技術(shù)方面逐漸追上索尼的三星，豪威有了重回第一梯隊希望。

但這些都要建立在一個(gè)前提上，一向在中國做中低端產(chǎn)品的豪威，如今再做高端產(chǎn)品還會(huì )有人用嗎？這才是問(wèn)題的關(guān)鍵。

很快，豪威就迎來(lái)那個(gè)“有人用”的重大機遇。

2019年5月，美國政府把華為列入實(shí)體清單，并且禁止英特爾、高通等企業(yè)對華為供貨。華為啟動(dòng)“備胎計劃”，開(kāi)始有意識培養國產(chǎn)企業(yè)，加速供應商引入國產(chǎn)替代化。

據日本調查機構FomalhautTechno Solutions對華為在2019年9月推出的Mate30手機拆解分析，美國禁令后的四個(gè)月時(shí)間，按照金額計算，中國國產(chǎn)零部件使用率已經(jīng)從25%大幅上升到42%，美國產(chǎn)零部件則從11%下降到1%。

豪威承接住這輪國產(chǎn)替代機遇。野村東方國際證券曾分析，2020年，韋爾股份（豪威）3200、4800萬(wàn)像素產(chǎn)品被華為和OPPO大量采購。同一年，小米10至尊紀念版高端旗艦機推出，后置主攝搭載豪威OV48C產(chǎn)品，豪威開(kāi)始從副攝回到旗艦機主攝地位，從備胎逐步轉正。

把握住時(shí)代風(fēng)口的，還有格科微和圣邦股份。格科微主攻國內中低端CMOS市場(chǎng)，2010年，國產(chǎn)手機崛起，格科微作為小米、OPPO、vivo和傳音的供貨商得到飛速發(fā)展。格科微也沒(méi)有缺席這波國產(chǎn)替代紅利，比如小米10青春版的后置副攝就引入格科微GC02M1產(chǎn)品。

從數量上來(lái)講，格科微的出貨量非常大，甚至超過(guò)了索尼，一個(gè)月就能賣(mài)出超過(guò)1億片。但由于單價(jià)太低，在以銷(xiāo)售金額計算市場(chǎng)的統計圖上，有時(shí)會(huì )被歸到“Others”一欄，可見(jiàn)在圖片傳感器領(lǐng)域，技術(shù)領(lǐng)先帶來(lái)的高單價(jià)是壓倒性?xún)?yōu)勢。

但格科微也試圖做出改變。2020年7月，格科微申請科創(chuàng )板上市募資69.6億元，這筆錢(qián)主要做兩件事：興建12英寸集成電路項目加強產(chǎn)能、研發(fā)更高端CMOS產(chǎn)品。格科微能不能從低端轉向高端不好說(shuō)，但承接這波國產(chǎn)替代機遇已經(jīng)有所準備。

還有做電源管理芯片的圣邦股份，它的LED驅動(dòng)器、運算放大器、開(kāi)鎖馬達驅動(dòng)等大量產(chǎn)品應用在手機電子、汽車(chē)和醫療領(lǐng)域，產(chǎn)品不僅全部自主研發(fā)，性能還比肩外國同行，國產(chǎn)替代空間非常大。

正因為華為引發(fā)這波國產(chǎn)替代浪潮，使眾多國內企業(yè)得以進(jìn)入高端市場(chǎng)。單靠企業(yè)自身技術(shù)研發(fā)趕追外國廠(chǎng)商，基本很難進(jìn)入高端市場(chǎng)。

國內電子企業(yè)的發(fā)展路徑，大多從低端做起，再往高端轉型。只是這種企業(yè)自己意愿想出來(lái)的成長(cháng)路徑，成功的案例并不多。

要實(shí)現低轉高，背靠國內高端企業(yè)給予的時(shí)代機遇是相對可行選擇，豪威、格科微、圣邦股份都是樣本。但我們必須清醒認識到，當機遇來(lái)臨時(shí)，企業(yè)自身是否具備抓住機遇的核心能力？打鐵還需自身硬是一切發(fā)展關(guān)鍵。

隨著(zhù)越來(lái)越多中國品牌誕生，電子產(chǎn)業(yè)會(huì )發(fā)展得更強，長(cháng)期投入練好基本功，國產(chǎn)企業(yè)才可能更好走上從分工鏈轉換價(jià)值鏈道路。

全文完。感謝您的耐心閱讀。