Um CMOS, lança um mercado de 100 bilhões de chips

À medida que os dividendos do consumo móvel diminuem, os fabricantes de dispositivos móveis lutam pelo mercado topo de gama.De lentes a chips, telas e baterias, todos os aspectos de desempenho foram amplamente atualizados.No entanto, os avanços em vários aspectos atingiram um patamar.Eventualmente, os fabricantes de smartphones voltaram sua atenção para a câmera.Os impactos das câmeras dos smartphones estão se tornando mais proeminentes e já se passaram 13 anos desde que o produto inovador iPhone 4 foi lançado.

A contagem de pixels aumentou de dois milhões para dezenas de milhões, ultrapassando os limites de uma única lente.Consequentemente, o número de lentes num único telefone cresceu.De câmeras duplas a câmeras múltiplas (câmeras triplas, câmeras quádruplas), surgiram vários termos deslumbrantes: pixels de nível DSLR, lentes grande angular e ultra grande angular, abertura ajustável, zoom óptico 3x, lentes telefoto estilo periscópio, uma sensores de polegadas e assim por diante.

Os fabricantes estão colaborando cada vez mais com marcas de imagem renomadas, como Hasselblad, Leica, Zeiss e Sony.

A maioria dos consumidores está disposta a pagar pelos recursos das câmeras, portanto, transformar smartphones em câmeras tornou-se um movimento que nasceu da necessidade dos fabricantes diante da crescente homogeneização da inovação dos smartphones.

Em contraste, a tecnologia CCD recentemente obsoleta, um tipo de câmera de cartão equipada com um sensor de imagem CCD, ressurgiu.Surgiu uma onda de nostalgia pelo DCC, caracterizada por uma preferência pelo antigo em detrimento do novo.O CCD, antes considerado “lixo eletrônico”, tornou-se um novo favorito entre os jovens e entusiastas da moda.

O ancestral do CMOS para smartphones, o CCD, mudou a forma como observamos e registramos o mundo.No entanto, o seu inventor só recebeu o Prémio Nobel da Física 40 anos depois, em 2009. Pode-se dizer que sem o desenvolvimento progressivo do CCD, o CMOS não teria existido.A estrela em ascensão CMOS assumiu o comando do CCD e está caminhando para um futuro mais distante.

Ao ler este artigo, você compreenderá:

1、O passado e o presente do CMOS.

2、Como sensores discretos podem explodir em um mercado de bilhões de dólares.

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A 'Fundação' da Câmera Digital: Do CCD ao CMOS

Sensores de imagem, CCD e CMOS – você consegue distingui-los?

Esta é a projeção capturada pelo primeiro sensor de imagem CCD: 'S.' Em 1969, o Bell Labs inventou o Charge-Coupled Device (CCD), que poderia converter imagens ópticas em sinais eletrônicos, estabelecendo as bases para câmeras digitais.

Este é o “S” gravado por um CCD em 1972, ano em que os engenheiros da SONY completaram com sucesso a projeção da letra “S” com um CCD de 64 pixels;Fonte: Rede

No início, o desempenho do CCD era limitado, capaz apenas de capturar informações de brilho, portanto restrito à gravação de imagens em preto e branco.

Os “Oito Traidores” deixaram o Bell Labs e chegaram ao Vale do Silício.Pouco depois do lançamento do primeiro processador de oito bits da Intel, o 8008, em 1973, o primeiro dispositivo comercial de carga acoplada (CCD) do mundo foi lançado pela Fairchild Semiconductor.

Em 1975, o “Rei do Cinema” Kodak utilizou o CCD Fairchild 201100 para criar a primeira câmera digital.Essa câmera tinha 1,3 milhão de pixels, eliminando a necessidade de filme.O CCD capturou imagens, mas não conseguiu armazená-las.Para resolver isso, utilizou memória de acesso aleatório (RAM) para capturar dados de imagem, que foram então transferidos para uma fita cassete.

来源:网络

A Kodak se tornou um dos primeiros players na tecnologia CCD.Infelizmente, apesar dos lucros significativos da Kodak com a fotografia cinematográfica, a empresa decidiu interromper a pesquisa e inovação em CCD quando descobriu que as câmeras digitais não necessitavam de filme.Esta recusa em adaptar-se levou ao desperdício de uma mão vencedora.

A Sony entrou no movimento das câmeras digitais, iniciando o projeto CCD em 1973 e fabricando um chip com suporte para 110.000 pixels em 1978. A câmera MAVICA, lançada em 1981, tornou-se a primeira câmera digital comercialmente disponível no mundo.Em 1985, a Sony lançou a primeira filmadora CCD portátil, a M8.

Esta onda de inovação tecnológica varreu rapidamente o Japão, com as empresas japonesas a entrarem agressivamente no mercado global de câmaras digitais.No século 21, Sony, Fuji, Kodak, Philips, Panasonic e Sharp estavam entre os seis fabricantes capazes de produzir em massa produtos relacionados ao CCD.

No final da década de 1990, o CCD encontrou aplicações além das câmeras digitais de consumo, sendo amplamente utilizado em imagens eletrônicas profissionais, exploração espacial, imagens de raios X e outros campos de pesquisa.

À medida que a tecnologia CCD amadureceu, suas desvantagens surgiram gradualmente: processos de fabricação complexos, incompatibilidade com processos padrão, altos custos de produção, tamanho grande e alto consumo de energia.O sensor de imagem Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) emergiu como o maior vencedor depois do CCD.

Estes dois tipos de sensores de imagem, CCD e CMOS, correspondem essencialmente aos processos TTL e CMOS, respetivamente.

O CCD (Charge-Coupled Device) segue a estrutura MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), apresentando uma matriz de capacitores bem organizados (capacitores MOS) para converter fótons em elétrons para captura de imagem.Por outro lado, o CMOS (Semicondutor de Óxido Metálico Complementar) segue a estrutura MOSFET (Transistor de Efeito de Campo de Óxido Metálico-Semicondutor).

Os sensores CCD coletam dados passivamente e requerem tensão externa para mover a carga em cada pixel, enquanto os sensores CMOS coletam dados ativamente, amplificando e emitindo a carga gerada pelo diodo fotossensível diretamente através dos transistores.O CCD emite sinais analógicos para processamento subsequente, enquanto os sensores CMOS podem emitir diretamente os dados processados;Fonte: COVENTOR.

Esses dois métodos de aquisição diferentes fazem a diferença mais notável no consumo de energia entre eles.Além disso, existem diferenças na qualidade da imagem, velocidade de processamento e outros aspectos, conforme detalhado no gráfico a seguir:

Na realidade, a tecnologia CMOS estabeleceu a base mais robusta para circuitos integrados de baixo consumo de energia, tornando-a a tecnologia de chip atualmente predominante em todo o mundo.À medida que os sistemas de visão industrial transitam de projetos tradicionais em nível de placa para pequenos sistemas inteligentes, os processos CMOS podem acompanhar a Lei de Moore, alcançando maior integração de chips e menor consumo de energia.

Nos primeiros anos, os sensores de imagem não eram fabricados utilizando processos CMOS.Somente no final da década de 1980 a Universidade de Edimburgo desenvolveu com sucesso o primeiro sensor de imagem CMOS de chip único do mundo.Em 1997, a empresa VLSIVersion, sediada no Reino Unido, conseguiu pela primeira vez a comercialização de sensores de imagem CMOS.

Em 2000, a Sony desenvolveu com sucesso o seu primeiro sensor de imagem CMOS (IMX001).No entanto, naquela época, as desvantagens do sensor CMOS em termos de qualidade de imagem e ruído ainda eram significativas, impedindo um desafio imediato à posição dominante do CCD.

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Sensores imperceptíveis,

Entrando em um mercado de bilhões de dólares

Contudo, com o progresso e a maturidade da tecnologia CMOS e a redução contínua dos custos, os preços das câmaras digitais começaram verdadeiramente a tornar-se mais acessíveis, enquanto o desenvolvimento do CCD entrou num 'período de estrangulamento'. Depois de 2010, os sensores CMOS tornaram-se a tecnologia dominante, não substituindo completamente o CCD, mas suplantando-o em grande parte.Os sensores CCD agora são mantidos apenas em equipamentos profissionais de médio formato de ponta.

Por trás do CMOS se tornar a principal tecnologia fotográfica, uma força formidável está surgindo.Nascidos quase simultaneamente com as câmeras digitais em 1999-2000, os smartphones se tornaram um concorrente poderoso.

À medida que os smartphones evoluíram de telefones básicos para dispositivos inteligentes, incorporando funcionalidades aprimoradas de câmera e atualizando continuamente a contagem de pixels da câmera para melhorar a experiência fotográfica, eles gradualmente corroeram a participação de mercado das câmeras digitais.

Em 2008, a Nokia lançou o clássico N96, equipado com uma câmera de 5 megapixels.Durante esse ano, a Nokia vendeu impressionantes 460 milhões de telemóveis em todo o mundo, um feito que não só ultrapassou muitos fabricantes de câmaras, mas também representou um desafio para as empresas de telemóveis subsequentes.Por um período, a Nokia se tornou a maior “fabricante de câmeras” do mundo.

O ano de 2010 marcou um ponto de viragem crucial tanto para os telemóveis como para as câmaras digitais.Com o lançamento do iPhone 4, com uma câmera traseira de 5 megapixels e experiência de usuário e qualidade de imagem aprimoradas por meio de interfaces de software e algoritmos otimizados, o panorama da fotografia em celulares deu um salto significativo.Os fabricantes de smartphones Android mudaram seu foco da corrida dos megapixels para áreas como lentes, processadores e algoritmos de otimização.

Vale ressaltar que de 2003 a 2010, as remessas de câmeras digitais tiveram um crescimento consistente a cada ano.No entanto, depois de atingir o seu pico com 121 milhões de unidades vendidas em 2010, as remessas começaram a diminuir rapidamente.Os smartphones logo ultrapassaram as câmeras digitais nas remessas e as deixaram para trás.

A crescente demanda por smartphones tornou-se uma oportunidade lucrativa aos olhos dos fabricantes de sensores.

Os sensores de imagem CMOS tornaram as “câmeras com chip” cada vez mais viáveis.As três vantagens de “baixo custo de produção”, “baixo limite técnico” e “baixo consumo de energia” tornaram-se insubstituíveis para sensores CMOS.

A integração da funcionalidade de chip único, permitindo a produção em massa de chips em larga escala, reduziu significativamente os custos de produção.As lentes digitais em dispositivos como smartphones e computadores tornaram-se menores, mais eficientes em termos energéticos, mais rápidas na geração de imagens e mais acessíveis.Hoje, mesmo um minúsculo sensor de imagem de smartphone pode atingir contagens de pixels na casa das centenas de milhões, contribuindo para a rápida proliferação de produtos eletrônicos de consumo.

Em 2011, chamaram a atenção dados de numerosos fotógrafos profissionais e entusiastas da fotografia.Os dados revelaram que apenas um ano após seu lançamento, o iPhone 4 de 5 megapixels ultrapassou a Nikon D90 de 12 megapixels, lançada três anos antes, tornando-se o dispositivo de captura mais popular no Flickr.

A superação do iPhone 4 marcou a aceitação gradual da fotografia móvel por fotógrafos profissionais.Nessa altura, as vendas de câmaras digitais diminuíram 29% nos últimos cinco anos e as vendas de câmaras de vídeo tradicionais também diminuíram 21%.

Os sensores de lentes móveis evoluíram de sensores CCD com algumas centenas de milhares de pixels para sensores CMOS de 200 milhões de pixels, alcançando um salto qualitativo no desempenho de imagem e impulsionando o rápido crescimento do mercado.Apesar de uma desaceleração na procura dos consumidores por smartphones por volta de 2020, o setor de câmaras para smartphones permanece substancial e continua a mostrar crescimento.

O número de câmeras em smartphones de médio a baixo custo aumentou rapidamente, com novos modelos sendo continuamente atualizados para incluir quatro câmeras.Quando a quantidade atinge um determinado nível, o foco muda para comparações de desempenho.Mesmo os modelos de gama baixa estão entrando no domínio de pixels altos, onde as configurações anteriormente de ponta não são mais exclusivas, mas agora estão disponíveis em dispositivos de gama média a baixa.

De acordo com a empresa de estudos de mercado Counterpoint Research, no segundo semestre de 2022, o número médio de câmaras por smartphone era de 3,9, diminuindo ligeiramente para 3,8 no primeiro semestre de 2023. Embora este seja um número notável, espera-se que o mercado de smartphones recupere. após um ano de redução de estoque em 2024. O mercado de módulos de câmera para smartphones deverá retomar o crescimento, com expectativa de aumento das remessas em 3% ano a ano, para aproximadamente 4,171 bilhões de unidades.

Olhando para trás, para os mercados CCD e CMOS, a diferença entre os dois está a aumentar.

Os dados indicam que o mercado global de sensores de imagem CCD atingiu US$ 1,74 bilhão em 2022 e deve atingir US$ 2,68 bilhões até 2031, crescendo a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 4,9% durante o período de previsão de 2023-2031.Em 2020, o mercado global de sensores de imagem CMOS foi avaliado em US$ 20,725 bilhões e deverá atingir US$ 39,624 bilhões até 2028, crescendo a um CAGR de 8,6% durante o período de previsão.De acordo com a Mordor Intelligence, o tamanho do mercado de sensores de imagem CMOS em 2023 é de US$ 21,33 bilhões e está projetado para atingir US$ 30,08 bilhões até 2028.

A participação de mercado dos sensores de imagem CMOS ultrapassou em muito a do CCD e experimentou um crescimento rápido e sem precedentes.

来源: relatórios de mercado em crescimento

来源: relatórios de mercado em crescimento

Além da maior participação de mercado no setor de eletrônicos de consumo, o escopo de aplicação dos sensores de imagem CMOS também inclui equipamentos automotivos, aeroespaciais, médicos e militares.Atualmente, o mercado CIS (CMOS Image Sensor) é dominado por empresas como Sony Semiconductor, STMicroelectronics, Samsung Electronics, OmniVision (OV) e ON Semiconductor.Entre eles, os três principais fabricantes, Sony, Samsung e OV, representam coletivamente mais de 70% da participação de mercado.

O CCD, além de seu papel dominante em eletrônicos de consumo, também encontra aplicações em áreas como segurança e vigilância, imagens médicas e transporte automotivo.A procura por CCD continua a crescer, especialmente na visão industrial, onde existe uma exigência crescente de clareza de imagem e resistência ao ruído.No entanto, o desenvolvimento da condução autónoma e da tecnologia CMOS está a restringir o crescimento do mercado CCD.

Atualmente, os principais cenários de aplicação para CCD e CMOS ainda estão em eletrônicos de consumo.No entanto, o aumento e o uso generalizado de smartphones demonstraram plenamente o valor de mercado do CMOS, enquanto o CCD ficou em segundo plano, continuando a desempenhar um papel em aplicações de imagem de ponta.

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Conclusão:

O CCD, que constitui uma parcela menor do mercado de sensores de imagem, enfrenta desafios na introdução de novos produtos voltados para o consumidor, seja o ressurgimento de câmeras retrocompactas ou câmeras de última geração com um preço elevado.O CMOS alcançou o domínio, com os smartphones assumindo o controle do cenário fotográfico em espaços limitados.Esta mudança não só reduziu o custo da fotografia, tornando-a mais acessível, mas também impulsionou avanços na tecnologia CMOS.Seja em câmeras digitais, automóveis, robótica, drones ou aplicações AR/VR, o CMOS está prosperando e espera-se que seus dias brilhantes continuem no futuro.