解密新黑卡 Exmor RS CMOS的进化

本文作者：@Erik_XiN ，同时也欢迎更多朋友投稿。

2013年索尼发布了首块层积式CMOS——IMX135，并推出了新的感光元件子品牌Exmor RS。转眼3年时间过去了，层积式CMOS得到了快速发展，被越来越多的智能手机所采用。不久前，索尼推出的RX100IV和RX10II搭载了最新研发的1英寸Exmor RS CMOS。

PS.层积式，也译作堆叠式或堆栈式。虽然英文Stack确实有堆栈的意思，但层积式CMOS却与编程中的“堆栈”数据结构没有半毛钱关系。但是这个名词已经被各大手机厂商叫火了，我们再强调翻译的正确性也没有太大作用。

第1代Exmor RS

代表产品：IMX135、IMX134、ISX014和IMX145（iPhone5s）

作为第一代Exmor RS，这些CMOS只是单纯地将像素和其他配套电路分开制造并贴合。即便如此，所带来的改进也是非常明显的——最主要体现在感光元件表面积的利用率和整个模块的尺寸。

▲普通背照式（左）和层积式（右）结构对比

以当年主流智能手机普遍采用的1/4英寸约800万像素CMOS为例，iPhone5S所采用的层积式CMOS（IMX145）相比iPhone4S所采用的背照式CMOS，单像素尺寸增加了0.1微米，表面积利用率提高了50%，模块尺寸则缩小了20%——直接影响是手机的成像质量变得更好，机身可以更小更轻。间接影响则是同一块晶元上可以生产的元件个数增加约25%，有利于厂商降低制造成本。

▲四款1/4英寸约800万像素模块规格对比

第2代Exmor RS

代表产品：IMX214等

2014年左右，索尼开始引入第2代Exmor RS。这一代类似于英特尔tick-tock中的工艺改进代。在当时，手机用CMOS大多采用90nm工艺——CMOS是模拟电路，它的信号质量和制造工艺并没有直接关系，但ADC模数转换器等周边电路还是渴求先进工艺的——于是，本身就是分开制造的层积式CMOS提供了一个很简单的解决方案：像素（光电二极管）层继续采用成熟的90nm工艺，电路层则采用更先进的65nm工艺。

作为结果，芯片面积可以比以往产品缩减约30%，配套电路规模则能提高约5倍！大量增长的配套电路，是实现HDR视频拍摄、超高速连拍、像素拼合等功能的重要基础。

当然，这还只是一个开始。

▲普通背照式CMOS与第2代积层式CMOS的规格对比

第3代Exmor RS

代表产品：RX100IV、RX10II

英特尔tick-tock快成为芯片领域新的摩尔定律了。在层积式CMOS商用化的第3年，全新的架构终于出现：第3代Exmor RS采用了3层结构，在原有的像素层和逻辑电路层之外，又增加了1个高速缓存层（DRAM，由28nm工艺制作），同时将原本CMOS表面的数据输出接口转移到了下方——芯片面积可以进一步缩小，单位像素的尺寸可以进一步提高。

▲中间是第3代Exmor RS的三明治结构。

在以往的CMOS中（包括第2代Exmor RS），图像采集的顺序是：n列像素信号进入n个ADC，经过处理后进入ISP影像处理器，再经过处理后进入到缓存。图像是从左到右依次经过处理的，这就在拍摄高速运动对象时会出现扭曲情况，视频拍摄的果冻效应也随之而生。

第3代Exmor RS CMOS因为内置DRAM，整个采集流程变为n列像素金浩进入n个ADC，经过处理后进入DRAM；全部像素都进入DRAM后再直接送给ISP进行处理。读取的频率加快了，扭曲和果冻效应也就大幅减轻了。

据悉，RX100III是一次读4列像素，RX100IV和RX10II则是一次读8列像素——正因如此，它们才能实现每秒16张高速连拍，最高1000FPS的超高速视频拍摄。

最初的CMOS只是一个模拟的光信号采集器。索尼在推出Exmor CMOS时整合了ADC模数转换电路（今天的感不动还在用CMOS+独立ADC方案）。到了第3代Exmor RS CMOS，越来越多的功能被集成到CMOS上，CMOS已经变成集光电转换、数字信号处理、图像应用于一体的多功能芯片了。

写在最后：背照式、层积式也是实现曲面感光元件的先决条件。