Ein CMOS, ein 100-Milliarden-Chip-Markt

Da die Dividenden aus dem Mobilfunkkonsum sinken, streben Mobilfunkhersteller nach dem High-End-Markt.Von Objektiven über Chips und Bildschirme bis hin zu Batterien wurden alle Leistungsaspekte umfassend verbessert.Allerdings haben die Fortschritte in verschiedenen Aspekten ein Plateau erreicht.Schließlich haben Smartphone-Hersteller ihre Aufmerksamkeit wieder der Kamera zugewandt.Unebenheiten der Smartphone-Kamera treten immer stärker in Erscheinung, und seit der Veröffentlichung des bahnbrechenden Produkts iPhone 4 sind 13 Jahre vergangen.

Die Pixelzahl ist von zwei Millionen auf mehrere zehn Millionen gestiegen, wodurch die Grenzen eines einzelnen Objektivs überschritten werden.Infolgedessen ist die Anzahl der Objektive in einem einzigen Telefon gestiegen.Von Doppelkameras bis hin zu Mehrfachkameras (Dreifachkameras, Vierfachkameras) sind zahlreiche schillernde Begriffe entstanden: Pixel auf DSLR-Niveau, Weitwinkel- und Ultraweitwinkelobjektive, einstellbare Blende, 3-facher optischer Zoom, Teleobjektive im Periskop-Stil, einer -Zoll-Sensoren usw.

Hersteller arbeiten zunehmend mit renommierten Imaging-Marken wie Hasselblad, Leica, Zeiss und Sony zusammen.

Die meisten Verbraucher sind bereit, für Kamerafunktionen zu zahlen. Daher ist die Umwandlung von Smartphones in Kameras für die Hersteller angesichts der zunehmenden Homogenisierung von Smartphone-Innovationen zu einem Schritt geworden, der aus der Notwendigkeit heraus entstanden ist.

Im Gegensatz dazu erlebt die kürzlich veraltete CCD-Technologie, eine Art Kartenkamera mit einem CCD-Bildsensor, ein Wiederaufleben.Es ist eine Welle der Nostalgie für CCD entstanden, die durch eine Bevorzugung des Alten gegenüber dem Neuen gekennzeichnet ist.CCD, einst als „Elektroschrott“ galt, ist bei jungen Menschen und Modebegeisterten zu einem neuen Favoriten geworden.

Der Vorläufer des Smartphone-CMOS, CCD, veränderte die Art und Weise, wie wir die Welt beobachten und aufzeichnen.Allerdings erhielt sein Erfinder den Nobelpreis für Physik erst 40 Jahre später, im Jahr 2009. Man kann sagen, dass es CMOS ohne die fortschreitende Entwicklung von CCD nicht gegeben hätte.Der aufstrebende Star CMOS hat den Staffelstab von CCD übernommen und steuert auf eine weiter entfernte Zukunft zu.

Wenn Sie diesen Artikel lesen, werden Sie Folgendes verstehen:

1、Die Vergangenheit und Gegenwart von CMOS.

2、Wie unauffällige Sensoren zu einem Milliardenmarkt werden können.

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„Grundlage“ der Digitalkamera: Von CCD zu CMOS

Bildsensoren, CCD und CMOS – können Sie das unterscheiden?

Dies ist die vom frühen CCD-Bildsensor erfasste Projektion: „S.“ 1969 erfand Bell Labs das ladungsgekoppelte Gerät (CCD), das optische Bilder in elektronische Signale umwandeln konnte und damit den Grundstein für Digitalkameras legte.

Dies ist das „S“, das 1972 von einem CCD aufgezeichnet wurde, dem Jahr, in dem SONY-Ingenieure die Projektion des Buchstabens „S“ mit einem 64-Pixel-CCD erfolgreich abgeschlossen haben;Quelle: Netzwerk

In der Anfangszeit war die CCD-Leistung begrenzt, sie konnte nur Helligkeitsinformationen erfassen und war daher auf die Aufnahme von Schwarzweißbildern beschränkt.

Die „Verräterischen Acht“ verließen die Bell Labs und kamen im Silicon Valley an.Kurz nach der Veröffentlichung von Intels erstem Acht-Bit-Prozessor, dem 8008, im Jahr 1973 stellte Fairchild Semiconductor das weltweit erste kommerzielle ladungsgekoppelte Gerät (CCD) vor.

1975 nutzte der „Filmkönig“ Kodak den Fairchild 201100 CCD, um die erste Digitalkamera zu entwickeln.Diese Kamera hatte 1,3 Millionen Pixel, sodass kein Film erforderlich war.Der CCD hat zwar Bilder aufgenommen, diese jedoch nicht speichern können.Um dieses Problem zu beheben, wurden Bilddaten mithilfe eines Arbeitsspeichers (RAM) erfasst und dann auf eine Kassette übertragen.

来源:网络

Kodak war einer der ersten Anbieter der CCD-Technologie.Leider beschloss das Unternehmen trotz der erheblichen Gewinne von Kodak aus der Filmfotografie, die CCD-Forschung und -Innovation einzustellen, als es feststellte, dass für Digitalkameras kein Film erforderlich war.Diese Weigerung, sich anzupassen, führte zur Verschwendung einer Gewinnerhand.

Sony sprang auf den Zug der Digitalkameras auf, startete 1973 das CCD-Projekt und stellte 1978 einen Chip her, der 110.000 Pixel unterstützte. Die 1981 eingeführte MAVICA-Kamera war die erste kommerziell erhältliche Digitalkamera der Welt.1985 brachte Sony den ersten tragbaren CCD-Camcorder auf den Markt, den M8.

Diese Welle technologischer Innovation erfasste schnell Japan und japanische Unternehmen drängten aggressiv in den globalen Markt für Digitalkameras.Im 21. Jahrhundert gehörten Sony, Fuji, Kodak, Philips, Panasonic und Sharp zu den sechs Herstellern, die in der Lage waren, CCD-bezogene Produkte in Massenproduktion herzustellen.

In den späten 1990er Jahren fanden CCD-Anwendungen Anwendung, die über Digitalkameras für den Endverbraucher hinausgingen, und fanden breite Anwendung in der professionellen elektronischen Bildgebung, der Weltraumforschung, der Röntgenbildgebung und anderen Forschungsbereichen.

Mit zunehmender Reife der CCD-Technologie traten nach und nach ihre Nachteile zutage: komplexe Herstellungsprozesse, Inkompatibilität mit Standardprozessen, hohe Produktionskosten, große Größe und hoher Stromverbrauch.Der CMOS-Bildsensor (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) ging nach CCD als größter Gewinner hervor.

Diese beiden Arten von Bildsensoren, CCD und CMOS, entsprechen im Wesentlichen den TTL- bzw. CMOS-Prozessen.

CCD (Charge-Coupled Device) folgt der MOS-Struktur (Metal-Oxide-Semiconductor) und verfügt über eine Reihe ordentlich angeordneter Kondensatoren (MOS-Kondensatoren), um Photonen zur Bilderfassung in Elektronen umzuwandeln.Andererseits folgt CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) der MOSFET-Struktur (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor).

CCD-Sensoren sammeln passiv Daten und benötigen eine externe Spannung, um die Ladung in jedem Pixel zu bewegen, während CMOS-Sensoren aktiv Daten sammeln, indem sie die von der lichtempfindlichen Diode erzeugte Ladung verstärken und direkt über Transistoren ausgeben.CCD gibt analoge Signale zur anschließenden Verarbeitung aus, während CMOS-Sensoren verarbeitete Daten direkt ausgeben können;Quelle: COVENTOR.

Diese beiden unterschiedlichen Erfassungsmethoden machen den deutlichsten Unterschied im Stromverbrauch aus.Darüber hinaus gibt es Unterschiede in der Bildqualität, der Verarbeitungsgeschwindigkeit und anderen Aspekten, wie in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Tatsächlich hat die CMOS-Technologie die robusteste Grundlage für integrierte Schaltkreise mit geringem Stromverbrauch gelegt und ist damit die derzeit weltweit vorherrschende Chiptechnologie.Beim Übergang von Bildverarbeitungssystemen von herkömmlichen Designs auf Platinenebene zu kleinen intelligenten Systemen können CMOS-Prozesse mit dem Mooreschen Gesetz Schritt halten und eine höhere Chipintegration und einen geringeren Stromverbrauch erreichen.

In den Anfangsjahren wurden Bildsensoren nicht im CMOS-Verfahren hergestellt.Erst Ende der 1980er Jahre entwickelte die Universität Edinburgh erfolgreich den weltweit ersten Einzelchip-CMOS-Bildsensor.Im Jahr 1997 gelang dem in Großbritannien ansässigen Unternehmen VLSIVersion erstmals die Kommerzialisierung von CMOS-Bildsensoren.

Im Jahr 2000 entwickelte Sony erfolgreich seinen ersten CMOS-Bildsensor (IMX001).Zu diesem Zeitpunkt waren die Nachteile des CMOS-Sensors in Bezug auf Bildqualität und Rauschen jedoch noch erheblich und verhinderten eine unmittelbare Herausforderung für die marktbeherrschende Stellung von CCD.

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Unauffällige Sensoren,

Auf dem Weg in einen Milliardenmarkt

Mit dem Fortschritt und der Reife der CMOS-Technologie und der kontinuierlichen Kostensenkung sind die Preise für Digitalkameras jedoch tatsächlich erschwinglicher geworden, während die CCD-Entwicklung in eine „Engpassphase“ geraten ist. Nach 2010 sind CMOS-Sensoren geworden Die Mainstream-Technologie ersetzt CCD zwar nicht vollständig, aber weitgehend.CCD-Sensoren werden heute nur noch in professionellen High-End-Mittelformatgeräten verwendet.

Hinter der Entwicklung von CMOS zur Mainstream-Fototechnologie steckt eine gewaltige Kraft.Smartphones wurden zwischen 1999 und 2000 fast zeitgleich mit Digitalkameras auf den Markt gebracht und haben sich zu einem starken Konkurrenten entwickelt.

Während sich Smartphones von einfachen Telefonen zu intelligenten Geräten entwickelten, die über erweiterte Kamerafunktionen verfügten und die Anzahl der Kamerapixel kontinuierlich erhöhte, um das Fotoerlebnis zu verbessern, haben sie den Marktanteil von Digitalkameras allmählich untergraben.

Im Jahr 2008 stellte Nokia das klassische N96 vor, das mit einer 5-Megapixel-Kamera ausgestattet war.In diesem Jahr verkaufte Nokia weltweit unglaubliche 460 Millionen Mobiltelefone, eine Leistung, die nicht nur viele Kamerahersteller übertraf, sondern auch eine Herausforderung für nachfolgende Mobiltelefonunternehmen darstellte.Eine Zeit lang wurde Nokia zum weltgrößten „Kamerahersteller“.

Das Jahr 2010 markierte einen entscheidenden Wendepunkt sowohl für Mobiltelefone als auch für Digitalkameras.Mit der Veröffentlichung des iPhone 4, das über eine 5-Megapixel-Rückkamera sowie verbesserte Benutzererfahrung und Bildqualität durch Softwareschnittstellen und optimierte Algorithmen verfügt, machte die Landschaft der Mobiltelefonfotografie einen bedeutenden Sprung nach vorne.Hersteller von Android-Smartphones verlagerten ihren Fokus vom Megapixel-Rennen auf Bereiche wie Objektive, Prozessoren und Optimierungsalgorithmen.

Es ist erwähnenswert, dass die Auslieferungen von Digitalkameras von 2003 bis 2010 jedes Jahr ein stetiges Wachstum verzeichneten.Nachdem die Zahl der Auslieferungen im Jahr 2010 mit 121 Millionen ausgelieferten Einheiten ihren Höhepunkt erreicht hatte, begann sie jedoch rapide zu sinken.Smartphones übertrafen bei den Auslieferungen bald die Digitalkameras und ließen sie weit hinter sich.

Die stark steigende Nachfrage nach Smartphones wurde in den Augen der Sensorhersteller zu einer lukrativen Chance.

CMOS-Bildsensoren haben „Chipkameras“ zunehmend rentabler gemacht.Die drei Vorteile „niedrige Produktionskosten“, „niedrige technische Schwelle“ und „geringer Stromverbrauch“ sind für CMOS-Sensoren unersetzlich geworden.

Die Integration der Single-Chip-Funktionalität, die eine Massenproduktion von Chips in großem Maßstab ermöglicht, hat die Produktionskosten erheblich gesenkt.Digitale Objektive in Geräten wie Smartphones und Computern sind kleiner, energieeffizienter, schneller in der Bildgebung und erschwinglicher geworden.Heutzutage kann selbst ein winziger Smartphone-Bildsensor eine Pixelanzahl von mehreren Hundert Millionen erreichen, was zur rasanten Verbreitung von Unterhaltungselektronik beiträgt.

Im Jahr 2011 wurde auf Daten zahlreicher professioneller Fotografen und Fotobegeisterter aufmerksam gemacht.Die Daten zeigten, dass das 5-Megapixel-iPhone 4 bereits ein Jahr nach seiner Veröffentlichung die 12-Megapixel-Nikon D90, die drei Jahre zuvor auf den Markt kam, überholte und zum beliebtesten Aufnahmegerät auf Flickr wurde.

Mit der Überschreitung des iPhone 4 begann sich die mobile Fotografie allmählich auch bei professionellen Fotografen durchzusetzen.Zu diesem Zeitpunkt waren die Verkäufe von Digitalkameras in den letzten fünf Jahren um 29 % zurückgegangen, und auch die Verkäufe traditioneller Camcorder waren um 21 % zurückgegangen.

Mobile Linsensensoren haben sich von CCD-Sensoren mit einigen hunderttausend Pixeln zu CMOS-Sensoren mit 200 Millionen Pixeln weiterentwickelt, was einen qualitativen Sprung in der Abbildungsleistung erzielte und ein schnelles Marktwachstum vorantreibt.Trotz einer Verlangsamung der Verbrauchernachfrage nach Smartphones um das Jahr 2020 bleibt der Smartphone-Kamerasektor substanziell und verzeichnet weiterhin Wachstum.

Die Anzahl der Kameras in Smartphones der mittleren bis unteren Preisklasse ist rasant gestiegen, und neue Modelle werden kontinuierlich auf vier Kameras aufgerüstet.Sobald die Menge ein bestimmtes Niveau erreicht, verlagert sich der Fokus auf Leistungsvergleiche.Sogar Low-End-Modelle dringen in den High-Pixel-Bereich vor, wo frühere High-End-Konfigurationen nicht mehr exklusiv sind, sondern jetzt in Mid- bis Low-End-Geräten verfügbar sind.

Nach Angaben des Marktforschungsunternehmens Counterpoint Research lag die durchschnittliche Anzahl der Kameras pro Smartphone im zweiten Halbjahr 2022 bei 3,9 und ging im ersten Halbjahr 2023 leicht auf 3,8 zurück. Obwohl dies ein bemerkenswerter Wert ist, wird eine Erholung des Smartphone-Marktes erwartet nach einem Jahr der Bestandsreduzierung im Jahr 2024. Der Markt für Smartphone-Kameramodule wird voraussichtlich wieder wachsen, wobei die Auslieferungen im Jahresvergleich voraussichtlich um 3 % auf etwa 4,171 Milliarden Einheiten steigen werden.

Wenn man auf die CCD- und CMOS-Märkte zurückblickt, wird die Kluft zwischen beiden immer größer.

Daten deuten darauf hin, dass der weltweite Markt für CCD-Bildsensoren im Jahr 2022 1,74 Milliarden US-Dollar erreichte und bis 2031 voraussichtlich 2,68 Milliarden US-Dollar erreichen wird, wobei er im Prognosezeitraum 2023–2031 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 4,9 % wächst.Im Jahr 2020 wurde der weltweite Markt für CMOS-Bildsensoren auf 20,725 Milliarden US-Dollar geschätzt, und es wird erwartet, dass er bis 2028 39,624 Milliarden US-Dollar erreichen wird, was einem jährlichen Wachstum von 8,6 % im Prognosezeitraum entspricht.Laut Mordor Intelligence beträgt die Marktgröße von CMOS-Bildsensoren im Jahr 2023 21,33 Milliarden US-Dollar und soll bis 2028 30,08 Milliarden US-Dollar erreichen.

Der Marktanteil von CMOS-Bildsensoren hat den von CCD bei weitem übertroffen und verzeichnet ein beispielloses schnelles Wachstum.

Quelle: Wachstumsmarktberichte

Quelle: Wachstumsmarktberichte

Neben dem größten Marktanteil im Bereich Unterhaltungselektronik umfasst der Anwendungsbereich von CMOS-Bildsensoren auch Automobil, Luft- und Raumfahrt, medizinische Geräte und militärische Ausrüstung.Derzeit wird der CIS-Markt (CMOS Image Sensor) von Unternehmen wie Sony Semiconductor, STMicroelectronics, Samsung Electronics, OmniVision (OV) und ON Semiconductor dominiert.Unter ihnen machen die drei führenden Hersteller Sony, Samsung und OV zusammen über 70 % des Marktanteils aus.

CCD findet neben seiner dominanten Rolle in der Unterhaltungselektronik auch Anwendungen in Bereichen wie Sicherheit und Überwachung, medizinische Bildgebung und Automobiltransport.Die Nachfrage nach CCD wächst immer noch, insbesondere in der industriellen Bildverarbeitung, wo ein zunehmender Bedarf an Bildklarheit und Rauschresistenz besteht.Allerdings hemmt die Entwicklung des autonomen Fahrens und der CMOS-Technologie das Wachstum des CCD-Marktes.

Die Hauptanwendungsszenarien für CCD und CMOS liegen derzeit noch in der Unterhaltungselektronik.Der Aufstieg und die weite Verbreitung von Smartphones haben jedoch den Marktwert von CMOS deutlich gezeigt, während CCD in den Hintergrund getreten ist und weiterhin eine Rolle bei High-End-Bildgebungsanwendungen spielt.

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Abschluss:

CCD, der einen kleineren Teil des Marktes für Bildsensoren ausmacht, steht bei der Einführung neuer Verbraucherprodukte vor Herausforderungen, sei es das Wiederaufleben von Retro-Kompaktkameras oder High-End-Kameras mit einem hohen Preis.CMOS ist zur Vorherrschaft aufgestiegen, und Smartphones übernehmen auf engstem Raum die Fotografieszene.Dieser Wandel hat nicht nur die Kosten für die Fotografie gesenkt und sie zugänglicher gemacht, sondern auch Fortschritte in der CMOS-Technologie vorangetrieben.Ob in Digitalkameras, Automobilen, Robotik, Drohnen oder AR/VR-Anwendungen, CMOS floriert und wird voraussichtlich auch in Zukunft seine glänzenden Tage fortsetzen.