堆栈式cmos 索大好的秘密武器？堆栈式CMOS是什么鬼

索大好的秘密武器？堆栈式CMOS是什么鬼

名词：层积式CMOS

别名：堆叠式CMOS、堆栈式CMOS

英文：Stacked CMOS

虽然英文Stack确实有“堆栈”的意思，但Stacked CMOS的结构与编程中的“堆栈”数据结构没有半毛钱关系。不过，“堆栈式CMOS”这个名词已经被各大手机厂商炒火了，我们现在再强调翻译的正确性也没有太大作用。

索尼是最早推出层积式CMOS的厂商，产品子品牌为Exmor RS（这里的“S”代表“Stacked”）。它不仅占据了绝大部分市场份额，同时也致力于推进层积式CMOS技术的进步。所以，层积式CMOS的发展其实就是Exmor RS CMOS的发展。

第1代Exmor RS

代表产品：IMX135、IMX145（iPhone5s）

主要改进：缩小模块尺寸

2012年8月，索尼推出第1代层积式CMOS：IMX135、IMX134和ISX014。

在背照式CMOS中，像素和相关电路位于同一平面，再下面则是支持基板；而在层积式CMOS中，像素层独立出来（仍然是背部入射结构），相关电路挪至下方替代原有的支持基板。这带来了2个好处：

像素层和电路层可以分开制造并贴合，电路层能使用更先进的工艺；

表面积利用率更高（元件从平面摆放变成立体堆叠），整个模块的尺寸更小。

背照式CMOS(左)与层积式CMOS(右)结构对比

2013年9月发布的iPhone5S同样搭载了索尼层积式CMOS（IMX145）。与iPhone4S等早期产品相比，IMX145的单像素尺寸增加了0.1μm，模块表面积利用率提高了50%，模块尺寸缩小了20%。

1/2.3英寸800万像素CMOS规格对比

第2代Exmor RS

代表产品：IMX214

主要改进：4K摄像、SME-HDR

2013年4月，索尼推出第2代层积式CMOS：IMX214。与前代产品IMX135相比，IMX214的主要改进有2点，包括：

- 引入SME-HDR技术：以往的软件合成HDR不适合拍摄运动对象。而SME-HDR是基于硬件的HDR合成方法，不仅合成效果更好，同时减轻了处理器的压力。作为结果，IMX214实现了1300万像素、每秒30帧的HDR影像输出。

- 工艺改进：减少微透镜到感光二极管的距离，提高光线利用率，更适合搭配薄的大光圈镜头（在索尼SLT-A99等产品采用的35mm全画幅约2430万像素CMOS上，这被称作“光聚合”技术）。同时，新工艺还减少了像素间的信号串扰，提高弱光下的色彩饱和度。

第3代Exmor RS

代表产品：RX100IV、RX10II

主要改进：内置DRAM，速度更快

如同Intel在芯片制造中的Tick-Tock战略一样，第1代层积式CMOS是结构改进，第2代是工艺改进，第3代再次迎来结构改进——2015年6月，索尼在RX100IV、RX10II上应用了，新一代Exmor RS的主要变化包括：

- 感光面积扩大到1英寸（对角线15.864mm）;

- 3层结构：从上至下依次为像素层、模数转换器（ADC）等相关电路层和内置DRAM层；

- 拆分后，高速处理电路的规模更大，速度更快。

1是像素部分，2是相关电路，3是内置DRAM

传统CMOS（包括第2代层积式CMOS）的图像采集流程是：n列像素信号先进入n个ADC，然后再进入影像处理器（ISP），最后进入缓存；等到全部像素数据进入缓存后，再输出成影像——这种工作流程是果冻效应的根源。

第3代Exmor RS因为内置DRAM，图像采集流程变为：n列像素信号先进入n个ADC，然后进入DRAM；等到全部像素数据进入缓存后，再进入ISP进行处理。ADC工作频率的提高和传输整张影像所需时间的减少了，有效降低了果冻效应等图像变形。

传统CMOS（上）与第3代Exmor RS（下）的图像采集流程对比

值得一提的是，RX100III、RX10一次只能读取4列像素。由于高速处理电路的规模更大，因此RX100IV、RX10II一次可以读取8列像素。配合DRAM，最终实现了每秒16张高速连拍、每秒1000帧高速视频拍摄等新特性。

TIPS：什么是果冻效应

当相机、被摄对象之间存在高速相对位移时（如拍摄高尔夫球挥杆动作、在行驶的车辆上拍摄路边的灯杆等），画面中的直线发生弯曲、图像边缘模糊、部分画面曝光错误，有任一情况都可以称之为果冻效应。

果冻效应的根源是感光元件无法做到全部像素同时采集。

无变形效果（上）与因为采样速度导致的变形效果（下）

小结

最初的CMOS只是一个光信号采集器，输出模拟信号。2007年2月，索尼公布了“采用列并行AD转换的超高速高画质CMOS”技术，实现了CMOS整合ADC。片上ADC和列并行数字CDS也随之成为索尼Exmor CMOS的立命根本。

背照式结构、层积式结构都是为了提高芯片的空间利用率，从平面排布升级到立体堆叠。在这一过程中，不同功能的元件实现了层级独立，制造商可以根据需要应用不同的制造工艺——将尖端制造技术应用在刀刃上，同时控制整体制造成本。

第3代Exmor RS其实已经整合了部分ISP功能，也就是RX100IV、RX10II其实有2级ISP。功能整合应该是相机发展的大趋势，在未来，相信会有更多功能被集成到CMOS上。

最后的最后，背照式、层积式结构是实现曲面感光元件的先决条件。

用最简单的方式，让你理解什么是堆栈式CMOS

在上一篇文章中，我们介绍了什么是背照式CMOS。在索尼的体系中，它以Exmor R作为产品线的名称。同时，我们也看到了一类叫作Exmor RS的CMOS，这就是堆栈式CMOS。

如何用最简单的方式理解堆栈式CMOS？

这得从CMOS的制造工艺说起。在传统CMOS制造时，需要使用光刻机在硅片上进行蚀刻，划分出像素区域和处理电路区域。这个处理电路不是像素上方或下方的电路，而是另一块整体的控制电路。

[1]为像素区域

[2]为处理电路

在蚀刻时，会有一个问题，以索尼用于手机等的小CMOS为例，它对于像素区域的制造工艺，可以使用65nm的制程（可简单理解为制造精度），但对于处理电路的区域，65nm的制程是不够的，如果能用45nm的制程制造，那么在处理电路上的晶体管数量就能翻倍，这样，图像从像素处理出来的速度就更快，画质就能更好。但因为在同一片硅片上进行蚀刻，没法使用两个制程来制造。

所以很容易想到，如果将这两个区域分开，像素区域放在一个硅片上，用65nm制程制造，处理电路放在另一个硅片上，用45nm制程制造，再将它们堆叠拼起来，那这个矛盾就解决了。

这就是堆栈式CMOS。

[1]为像素区域

[2]为处理电路

[3]为高速缓存

堆栈式，背照式，前照式，这三个类型是单独的，不存在从属关系。我们可以使用背照式的技术，再用堆栈式的结构，发挥最大优点。所以索尼的Exmor RS，其实就是背照式和堆栈式的结合。

有了堆栈式的结构，我们能在处理电路得到更多的晶体管，拥有更快的速度，因此，原来不容易实现的HDR、升格等，现在变得很常见。读出速度也变得更快，因此果冻效应更小。而且，由于将像素区域和处理电路区域堆叠，像素区域能做得更大。

而且，使用堆栈式能带来一些特殊的技术。如我们常见的拜耳排列大多是RGGB的，画面的亮度是通过亮度方程（Y=0.299R+0.587G+0.114B），由RGB色光的值算出来的。但使用堆栈式技术，人们研究出了一种新的拜耳排列RGBW，其中，RGB对应常见的红绿蓝，W对应白，对亮度感光。这样，传感器的低光感光能力就大大提升。

另一个就是刚才提到的HDR，在堆栈式下，能够支持硬件HDR，即在感光元件层面就实现了高动态范围，而不需进入到摄影机的处理器中计算，这样，就能更快更直接的得到HDR视频。

但现在由于工艺和成本的问题，小CMOS制造堆栈式已经比较普遍，而类似半幅、全幅的堆栈式CMOS，仍然比较昂贵，索尼的A9就采用了全幅的堆栈式CMOS，因此23000多元贵得也不是没有道理。

当然将来越来越多的CMOS会采用堆栈式结构，随着工艺的成熟，我们也能得到更多高画质低价格的产品。

堆栈式cmos 索大好的秘密武器？堆栈式CMOS是什么鬼

分类：苹果日期：2025-04-28 浏览：23 评论：0

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