CMOS浮沉：从双雄缠斗到国产替代
The following article is from 远川科技评论 Author 李健华
某种意义上当代手机的战争，已经变成了拍照的战争。
从单摄到4摄，从800万像素到1亿像素，在没有革命性变化的今天，夜里自拍还能自动美颜的拍照效果成了各个品牌差异化的主战场。
这边，华为、小米一众手机企业打得热火朝天，但根本上，手机拍照性能的好坏，手机厂商跑分与宣传只是表面功夫，真正决定了一部手机拍照功能好坏的，是一个叫做CMOS图像传感器的芯片。
所谓图像传感器，可以将镜头捕捉的光信号，转换成机器可以读懂的数字信号。也就是把真实的世界，画进芯片的世界。一般来说，传感器面积越大，画布面积就越大，能绘画的细节就越多，其性能的好坏直接影响摄像质量，相当摄像头的“眼睛”。
这块芯片体积不大，却占整个摄像头模组52%的成本价值，而摄像头模组，又往往是一个手机之中，仅次于SoC芯片与屏幕之外，第三大成本来源。
目前，能生产这块“画布”的除了让苹果、华为、小米卷起来的索尼，还有三星和豪威（OmniVision），共计三大玩家。
而全球手机图像传感器的历史，则可以概括为索尼与豪威的缠斗，三星坐收渔翁之利的总结。
过程当中，技术的更迭与产能的变化，相继将不同企业相继推上王座；豪威也在这一期间，从美国企业成为中国公司，带领中国的CMOS打响了另一场从无到有，冲击王座的战争：
上世纪70-90年代，全球的图像传感器市场一度被日本垄断长达20余年时间。
那一时期，全球的图像传感器产品主要以高像素、高生产制造难度的CCD（电荷耦合器件图像传感器）器件为主流，索尼与松下正是其中佼佼者。
而凭借着在CCD与存储领域的领先地位，日本也一度占据了全球超过半数的半导体生产，全球的前10大半导体公司中,日本也一度独占6家。
而作为发明了CCD的美国人，自然不甘心市场旁落。日本称霸20多年时间里，美国企业一直在寻找一种替代技术，既能够做到CCD的高品质成像，同时这种技术的生产难度与成本，还要低到美国企业足以将传统的CCD挑落马下。
1995年，几位来自中国的华人留学生在硅谷创办的一家叫做豪威的企业，为美国带来了希望。
这家年轻的企业，一直试图将传统的CMOS工艺（互补金属氧化物半导体图像传感器），用在图像传感器中取代传统CCD的地位。
CCD与CMOS区别
如果将两种工艺进行直观对比，在当时的工艺条件下，CMOS的成像质量较CCD稍差，但却可以做到功耗和成本的极大降低，更适合用在当时方兴未艾的消费电子市场。当年豪威把产品参加业界著名的Comdex电脑展，被众多台湾客户采购后，仅仅一个月就实现了量产[1]。
也是自此，CMOS技术逐渐成为图像传感器市场主流。风光无两的豪威开始驶向快车道，并于2000年成功纳斯达克上市，2007年切入苹果手机，成为最早的苹果产业链企业。
但CMOS的战争，才刚刚拉开大幕的一角。
2000年豪威在纳斯达克上市的同时，老法师索尼也终于放下了看家的CCD转向CMOS市场。
与当年独霸CCD市场形成鲜明对比的是，转型十年后，一直到2010年，索尼在CMOS市占也仅有7%，而新秀豪威的市占率，却已经高达50%。
谁也不曾想，变革发生的如此迅猛：2011年10月，苹果推出iPhone4S。发布会前，有媒体爆料豪威不再“连庄”苹果后置主摄，会被索尼代替。
那时，很多人都以为这只是个不知哪里传出的FakeNews，却不曾想，在发布会的当天，苹果用实际行动证明了留言的真实性。最新款iPhone4S，苹果将大幅减少豪威的供货占比，转而扶持索尼，成为苹果的CMOS一供。
不是苹果始乱终弃，而是面对万人空巷抢苹果的需求暴涨，豪威的技术虽领先，产能却早已跟不上苹果的步伐。这背后涉及到了半导体生产的两种经典模式，IDM与Fabless。
1. 索尼采取IDM模式：即从生产制造、设计、封装测试，全产业链环节自己一手包办。这种模式优势是生产能力强，能全方位满足客户需求，但劣势是企业资产重、投资成本巨大。
2. 豪威采取Fabless模式：企业只负责设计研发，但生产和封测环节外包给第三方完成。这种做法的优势是投资小，能减少生产环节的巨大资金和人力成本，可以集中资金进行技术升级，但劣势是存在产能风险。
拥有自建工厂的索尼，毫不掩饰对扩张的野心：2011年，索尼一度在熊本和长崎研发中心投入400和1000亿日元研发CMOS，以应对市场需求的暴增。
反观豪威，虽然轻资产运营，但面对突然间的需求暴涨，没有自己晶圆厂的豪威，自然只能默默吃下哑巴亏，从一供滑落二供。
之后在2013年，又研发出比豪威更先进的堆叠式CMOS，趁着豪威还未实现技术追赶，让工人加班加点生产，进一步坐稳了苹果CMOS一供的大哥地位。
而豪威这边，尽管从2011年苹果推出iPhone4S和iPhone5后置摄像头开始采用索尼CMOS，但为保留情面，前置摄像头也依然采用豪威方案。而索尼正式形成技术+产能的双次反攻之后，从iPhone6开始，所有型号的iPhone，无论前后摄像头，苹果全部采用索尼CMOS，豪威自此被彻底踢出果链。
2011年后，豪威与索尼CMOS业绩一上一下
产业模式造就索尼和豪威不同结局，2012年后，豪威市占率从老大滑落到老三只有11%，索尼完全承接豪威之前的高端市场客户，市占率达到40%以上。而三星趁索尼和豪威缠斗时，则凭借着终端的支持，以及最新的ISOCELL技术，从两大巨头的地盘中，撕下了20%的市场份额。
到这里，CMOS双强鼎立的格局已定，好像也没豪威啥事了，但故事还没结束。
2013年，豪威在高端市场打不过索尼，开始转战中国做中低端市场，到2019年还被中国半导体企业韦尔股份收购。按照打败仗-被收购剧情发展，豪威大概率会步向衰落，但为什么豪威现在不仅没死，甚至还有追赶索尼的可能？
这与CMOS图像传感器的性质有关。CMOS是一个特殊的产品，大家都知道，传统的数字芯片例如CPU、GPU靠先进的制程为王，而例如射频、电源管理芯片等模拟芯片则更依赖于老师傅的经验积累。但CMOS偏偏是一个“双头鹰”：它是模拟和数字电路的集成。
在模拟这一侧，它要感知光的细微变化，把光信号变成电信号。但单个像素是微米级别的大小，因此模拟芯片并不要求特别先进的制程。
但同时，CMOS还需要将电信号还得转换成手机SoC能读懂的数字信号，这一部分是由后半部分的集成在CMOS上的数字芯片部分实现。
由于成像的关键在于前半部分，而手机像素的最佳数量也长期停在1200万像素，因此索尼自己运营工厂不但能轻松搞定，还能积累大量行业经验，无论是成本还是技术，都能占优。
直到最近几年，以三星为首的传感器厂商，祭出了“小像素”的技术路线，追求更小的像素大小，以及更高的像素目睹，以性价比路线抄到了索尼的后路。
在这一趋势下，三星和豪威，先后将像素做到了0.8微米以下，让同样尺寸的传感器，像素数量骤然上升，以前只能做到2000万、或者4000万的传感器，一下拉到了4800万，甚至6400万、一亿的像素，这一下带给了消费者满满的满足感：3000块买的手机，只看参数的话，比苹果的像素还能高出几倍。
（即使是索尼，也利用小像素在CMOS面积不变的情况下，增加了像素）
这就让索尼陷入了两难，跟吧，自己一直在用老设备练工艺，做小像素就得换先进制程的新设备，自己的不少经验就被抹掉了，不跟吧，主打新价比的手机市场就开始被蚕食。
而对于豪威，则利用台积电的先进工艺，快速的切入了对小像素有庞大需求的3000元以下市场，开始打破索尼的铜墙铁壁。
一边是技术路线的演进，另一方面CMOS乃至整个半导体产业的格局也正在发生变化。比如，台积电的诞生，使半导体产业有了垂直专业分工可能，10年前索尼的IDM模式具备优势，但随着台积电在产能和工艺水平日益靠前，索尼的工厂已经开始追不上台积电。
于是，台积电成为豪威和索尼发展分水岭，可分两个时间段分析：
1. 2010年时期：CMOS主要比拼产能和设计技术，这一阶段，豪威采取Fabless模式，把生产交给台积电。索尼采取IDM模式，那时索尼工厂的CMOS代工水平比台积电更强，在设计方面，索尼CMOS产品也比豪威先进，所以这个时期索尼完全碾压豪威。
2. 2020年时期：这一阶段，台积电的不仅在晶圆的产能和工艺上成为全行业第一，还拥有小像素所需的40-28nm的CMOS工艺。
由于芯片需求旺盛，这两年索尼开始无法满足客户产能需求，而且自有55nm工艺性能逐渐达到瓶颈，索尼的自建工艺生产壁垒开始削弱。所以在2019年底，索尼首度外放高端芯片订单给台积电补充产能，还能导入台积电28nm制程。
换言之，在CMOS生产环节，豪威跟索尼开始站在同一起跑线，这为豪威追赶索尼提供了可能性。而且，没落已久的豪威，也在2019年遇到一个新的机遇:：来自大陆的韦尔集团这一年以153亿资金将豪威收入囊中。韦尔收购豪威后大力投入研发，在2019、2020年分别突破4800、6400万像素技术，在技术方面逐渐追上索尼的三星，豪威有了重回第一梯队希望。
但这些都要建立在一个前提上，一向在中国做中低端产品的豪威，如今再做高端产品还会有人用吗？这才是问题的关键。
很快，豪威就迎来那个“有人用”的重大机遇。
2019年5月，美国政府把华为列入实体清单，并且禁止英特尔、高通等企业对华为供货。华为启动“备胎计划”，开始有意识培养国产企业，加速供应商引入国产替代化。
据日本调查机构FomalhautTechno Solutions对华为在2019年9月推出的Mate30手机拆解分析，美国禁令后的四个月时间，按照金额计算，中国国产零部件使用率已经从25%大幅上升到42%，美国产零部件则从11%下降到1%。
豪威承接住这轮国产替代机遇。野村东方国际证券曾分析，2020年，韦尔股份（豪威）3200、4800万像素产品被华为和OPPO大量采购。同一年，小米10至尊纪念版高端旗舰机推出，后置主摄搭载豪威OV48C产品，豪威开始从副摄回到旗舰机主摄地位，从备胎逐步转正。
把握住时代风口的，还有格科微和圣邦股份。格科微主攻国内中低端CMOS市场，2010年，国产手机崛起，格科微作为小米、OPPO、vivo和传音的供货商得到飞速发展。格科微也没有缺席这波国产替代红利，比如小米10青春版的后置副摄就引入格科微GC02M1产品。
从数量上来讲，格科微的出货量非常大，甚至超过了索尼，一个月就能卖出超过1亿片。但由于单价太低，在以销售金额计算市场的统计图上，有时会被归到“Others”一栏，可见在图片传感器领域，技术领先带来的高单价是压倒性优势。
但格科微也试图做出改变。2020年7月，格科微申请科创板上市募资69.6亿元，这笔钱主要做两件事：兴建12英寸集成电路项目加强产能、研发更高端CMOS产品。格科微能不能从低端转向高端不好说，但承接这波国产替代机遇已经有所准备。
还有做电源管理芯片的圣邦股份，它的LED驱动器、运算放大器、开锁马达驱动等大量产品应用在手机电子、汽车和医疗领域，产品不仅全部自主研发，性能还比肩外国同行，国产替代空间非常大。
正因为华为引发这波国产替代浪潮，使众多国内企业得以进入高端市场。单靠企业自身技术研发赶追外国厂商，基本很难进入高端市场。
国内电子企业的发展路径，大多从低端做起，再往高端转型。只是这种企业自己意愿想出来的成长路径，成功的案例并不多。
要实现低转高，背靠国内高端企业给予的时代机遇是相对可行选择，豪威、格科微、圣邦股份都是样本。但我们必须清醒认识到，当机遇来临时，企业自身是否具备抓住机遇的核心能力？打铁还需自身硬是一切发展关键。
随着越来越多中国品牌诞生，电子产业会发展得更强，长期投入练好基本功，国产企业才可能更好走上从分工链转换价值链道路。
全文完。感谢您的耐心阅读。
[1]芯人物单记章，爱集微
[2]韦尔股份：图像传感器芯片龙头，野村东方国际证券
[3]韦尔股份：乘国产替代东风，CIS龙头持续成长，中国银河证券
[4]诺贝尔物理学奖得主：理论到实践的艰难之路，科技日报
[5]韦尔股份：三重动力助推，CIS龙头加速崛起，东兴证券
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