CMOS浮沉：從雙雄纏斗到國產(chǎn)替代

某種意義上當(dāng)代手機(jī)的戰(zhàn)爭，已經(jīng)變成了拍照的戰(zhàn)爭。

從單攝到4攝，從800萬像素到1億像素，在沒有革命性變化的今天，夜里自拍還能自動(dòng)美顏的拍照效果成了各個(gè)品牌差異化的主戰(zhàn)場。

這邊，華為、小米一眾手機(jī)企業(yè)打得熱火朝天，但根本上，手機(jī)拍照性能的好壞，手機(jī)廠商跑分與宣傳只是表面功夫，真正決定了一部手機(jī)拍照功能好壞的，是一個(gè)叫做CMOS圖像傳感器的芯片。

所謂圖像傳感器，可以將鏡頭捕捉的光信號(hào)，轉(zhuǎn)換成機(jī)器可以讀懂的數(shù)字信號(hào)。也就是把真實(shí)的世界，畫進(jìn)芯片的世界。一般來說，傳感器面積越大，畫布面積就越大，能繪畫的細(xì)節(jié)就越多，其性能的好壞直接影響攝像質(zhì)量，相當(dāng)攝像頭的“眼睛”。

這塊芯片體積不大，卻占整個(gè)攝像頭模組52%的成本價(jià)值，而攝像頭模組，又往往是一個(gè)手機(jī)之中，僅次于SoC芯片與屏幕之外，第三大成本來源。

目前，能生產(chǎn)這塊“畫布”的除了讓蘋果、華為、小米卷起來的索尼，還有三星和豪威（OmniVision），共計(jì)三大玩家。

而全球手機(jī)圖像傳感器的歷史，則可以概括為索尼與豪威的纏斗，三星坐收漁翁之利的總結(jié)。

過程當(dāng)中，技術(shù)的更迭與產(chǎn)能的變化，相繼將不同企業(yè)相繼推上王座；豪威也在這一期間，從美國企業(yè)成為中國公司，帶領(lǐng)中國的CMOS打響了另一場從無到有，沖擊王座的戰(zhàn)爭：

上世紀(jì)70-90年代，全球的圖像傳感器市場一度被日本壟斷長達(dá)20余年時(shí)間。

那一時(shí)期，全球的圖像傳感器產(chǎn)品主要以高像素、高生產(chǎn)制造難度的CCD（電荷耦合器件圖像傳感器）器件為主流，索尼與松下正是其中佼佼者。

而憑借著在CCD與存儲(chǔ)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，日本也一度占據(jù)了全球超過半數(shù)的半導(dǎo)體生產(chǎn)，全球的前10大半導(dǎo)體公司中,日本也一度獨(dú)占6家。

而作為發(fā)明了CCD的美國人，自然不甘心市場旁落。日本稱霸20多年時(shí)間里，美國企業(yè)一直在尋找一種替代技術(shù)，既能夠做到CCD的高品質(zhì)成像，同時(shí)這種技術(shù)的生產(chǎn)難度與成本，還要低到美國企業(yè)足以將傳統(tǒng)的CCD挑落馬下。

1995年，幾位來自中國的華人留學(xué)生在硅谷創(chuàng)辦的一家叫做豪威的企業(yè)，為美國帶來了希望。

這家年輕的企業(yè)，一直試圖將傳統(tǒng)的CMOS工藝（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器），用在圖像傳感器中取代傳統(tǒng)CCD的地位。

CCD與CMOS區(qū)別

如果將兩種工藝進(jìn)行直觀對比，在當(dāng)時(shí)的工藝條件下，CMOS的成像質(zhì)量較CCD稍差，但卻可以做到功耗和成本的極大降低，更適合用在當(dāng)時(shí)方興未艾的消費(fèi)電子市場。當(dāng)年豪威把產(chǎn)品參加業(yè)界著名的Comdex電腦展，被眾多中國臺(tái)灣客戶采購后，僅僅一個(gè)月就實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)[1]。

也是自此，CMOS技術(shù)逐漸成為圖像傳感器市場主流。風(fēng)光無兩的豪威開始駛向快車道，并于2000年成功納斯達(dá)克上市，2007年切入蘋果手機(jī)，成為最早的蘋果產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)。

但CMOS的戰(zhàn)爭，才剛剛拉開大幕的一角。

2000年豪威在納斯達(dá)克上市的同時(shí)，老法師索尼也終于放下了看家的CCD轉(zhuǎn)向CMOS市場。

與當(dāng)年獨(dú)霸CCD市場形成鮮明對比的是，轉(zhuǎn)型十年后，一直到2010年，索尼在CMOS市占也僅有7%，而新秀豪威的市占率，卻已經(jīng)高達(dá)50%。

誰也不曾想，變革發(fā)生的如此迅猛：2011年10月，蘋果推出iPhone4S。發(fā)布會(huì)前，有媒體爆料豪威不再“連莊”蘋果后置主攝，會(huì)被索尼代替。

那時(shí)，很多人都以為這只是個(gè)不知哪里傳出的FakeNews，卻不曾想，在發(fā)布會(huì)的當(dāng)天，蘋果用實(shí)際行動(dòng)證明了留言的真實(shí)性。最新款iPhone4S，蘋果將大幅減少豪威的供貨占比，轉(zhuǎn)而扶持索尼，成為蘋果的CMOS一供。

不是蘋果始亂終棄，而是面對萬人空巷搶蘋果的需求暴漲，豪威的技術(shù)雖領(lǐng)先，產(chǎn)能卻早已跟不上蘋果的步伐。這背后涉及到了半導(dǎo)體生產(chǎn)的兩種經(jīng)典模式，IDM與Fabless。

1. 索尼采取IDM模式：即從生產(chǎn)制造、設(shè)計(jì)、封裝測試，全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)自己一手包辦。這種模式優(yōu)勢是生產(chǎn)能力強(qiáng)，能全方位滿足客戶需求，但劣勢是企業(yè)資產(chǎn)重、投資成本巨大。

2. 豪威采取Fabless模式：企業(yè)只負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)研發(fā)，但生產(chǎn)和封測環(huán)節(jié)外包給第三方完成。這種做法的優(yōu)勢是投資小，能減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)的巨大資金和人力成本，可以集中資金進(jìn)行技術(shù)升級，但劣勢是存在產(chǎn)能風(fēng)險(xiǎn)。

擁有自建工廠的索尼，毫不掩飾對擴(kuò)張的野心：2011年，索尼一度在熊本和長崎研發(fā)中心投入400和1000億日元研發(fā)CMOS，以應(yīng)對市場需求的暴增。

反觀豪威，雖然輕資產(chǎn)運(yùn)營，但面對突然間的需求暴漲，沒有自己晶圓廠的豪威，自然只能默默吃下啞巴虧，從一供滑落二供。

之后在2013年，又研發(fā)出比豪威更先進(jìn)的堆疊式CMOS，趁著豪威還未實(shí)現(xiàn)技術(shù)追趕，讓工人加班加點(diǎn)生產(chǎn)，進(jìn)一步坐穩(wěn)了蘋果CMOS一供的大哥地位。

而豪威這邊，盡管從2011年蘋果推出iPhone4S和iPhone5后置攝像頭開始采用索尼CMOS，但為保留情面，前置攝像頭也依然采用豪威方案。而索尼正式形成技術(shù)+產(chǎn)能的雙次反攻之后，從iPhone6開始，所有型號(hào)的iPhone，無論前后攝像頭，蘋果全部采用索尼CMOS，豪威自此被徹底踢出果鏈。

2011年后，豪威與索尼CMOS業(yè)績一上一下

產(chǎn)業(yè)模式造就索尼和豪威不同結(jié)局，2012年后，豪威市占率從老大滑落到老三只有11%，索尼完全承接豪威之前的高端市場客戶，市占率達(dá)到40%以上。而三星趁索尼和豪威纏斗時(shí)，則憑借著終端的支持，以及最新的ISOCELL技術(shù)，從兩大巨頭的地盤中，撕下了20%的市場份額。

到這里，CMOS雙強(qiáng)鼎立的格局已定，好像也沒豪威啥事了，但故事還沒結(jié)束。

2013年，豪威在高端市場打不過索尼，開始轉(zhuǎn)戰(zhàn)中國做中低端市場，到2019年還被中國半導(dǎo)體企業(yè)韋爾股份收購。按照打敗仗-被收購劇情發(fā)展，豪威大概率會(huì)步向衰落，但為什么豪威現(xiàn)在不僅沒死，甚至還有追趕索尼的可能？

這與CMOS圖像傳感器的性質(zhì)有關(guān)。CMOS是一個(gè)特殊的產(chǎn)品，大家都知道，傳統(tǒng)的數(shù)字芯片例如CPU、GPU靠先進(jìn)的制程為王，而例如射頻、電源管理芯片等模擬芯片則更依賴于老師傅的經(jīng)驗(yàn)積累。但CMOS偏偏是一個(gè)“雙頭鷹”：它是模擬和數(shù)字電路的集成。

在模擬這一側(cè)，它要感知光的細(xì)微變化，把光信號(hào)變成電信號(hào)。但單個(gè)像素是微米級別的大小，因此模擬芯片并不要求特別先進(jìn)的制程。

但同時(shí)，CMOS還需要將電信號(hào)還得轉(zhuǎn)換成手機(jī)SoC能讀懂的數(shù)字信號(hào)，這一部分是由后半部分的集成在CMOS上的數(shù)字芯片部分實(shí)現(xiàn)。

由于成像的關(guān)鍵在于前半部分，而手機(jī)像素的最佳數(shù)量也長期停在1200萬像素，因此索尼自己運(yùn)營工廠不但能輕松搞定，還能積累大量行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，無論是成本還是技術(shù)，都能占優(yōu)。

直到最近幾年，以三星為首的傳感器廠商，祭出了“小像素”的技術(shù)路線，追求更小的像素大小，以及更高的像素目睹，以性價(jià)比路線抄到了索尼的后路。

在這一趨勢下，三星和豪威，先后將像素做到了0.8微米以下，讓同樣尺寸的傳感器，像素?cái)?shù)量驟然上升，以前只能做到2000萬、或者4000萬的傳感器，一下拉到了4800萬，甚至6400萬、一億的像素，這一下帶給了消費(fèi)者滿滿的滿足感：3000塊買的手機(jī)，只看參數(shù)的話，比蘋果的像素還能高出幾倍。

（即使是索尼，也利用小像素在CMOS面積不變的情況下，增加了像素）

這就讓索尼陷入了兩難，跟吧，自己一直在用老設(shè)備練工藝，做小像素就得換先進(jìn)制程的新設(shè)備，自己的不少經(jīng)驗(yàn)就被抹掉了，不跟吧，主打新價(jià)比的手機(jī)市場就開始被蠶食。

而對于豪威，則利用臺(tái)積電的先進(jìn)工藝，快速的切入了對小像素有龐大需求的3000元以下市場，開始打破索尼的銅墻鐵壁。

一邊是技術(shù)路線的演進(jìn)，另一方面CMOS乃至整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的格局也正在發(fā)生變化。比如，臺(tái)積電的誕生，使半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有了垂直專業(yè)分工可能，10年前索尼的IDM模式具備優(yōu)勢，但隨著臺(tái)積電在產(chǎn)能和工藝水平日益靠前，索尼的工廠已經(jīng)開始追不上臺(tái)積電。

于是，臺(tái)積電成為豪威和索尼發(fā)展分水嶺，可分兩個(gè)時(shí)間段分析：

1. 2010年時(shí)期：CMOS主要比拼產(chǎn)能和設(shè)計(jì)技術(shù)，這一階段，豪威采取Fabless模式，把生產(chǎn)交給臺(tái)積電。索尼采取IDM模式，那時(shí)索尼工廠的CMOS代工水平比臺(tái)積電更強(qiáng)，在設(shè)計(jì)方面，索尼CMOS產(chǎn)品也比豪威先進(jìn)，所以這個(gè)時(shí)期索尼完全碾壓豪威。

2. 2020年時(shí)期：這一階段，臺(tái)積電的不僅在晶圓的產(chǎn)能和工藝上成為全行業(yè)第一，還擁有小像素所需的40-28nm的CMOS工藝。

由于芯片需求旺盛，這兩年索尼開始無法滿足客戶產(chǎn)能需求，而且自有55nm工藝性能逐漸達(dá)到瓶頸，索尼的自建工藝生產(chǎn)壁壘開始削弱。所以在2019年底，索尼首度外放高端芯片訂單給臺(tái)積電補(bǔ)充產(chǎn)能，還能導(dǎo)入臺(tái)積電28nm制程。

換言之，在CMOS生產(chǎn)環(huán)節(jié)，豪威跟索尼開始站在同一起跑線，這為豪威追趕索尼提供了可能性。而且，沒落已久的豪威，也在2019年遇到一個(gè)新的機(jī)遇:：來自大陸的韋爾集團(tuán)這一年以153億資金將豪威收入囊中。韋爾收購豪威后大力投入研發(fā)，在2019、2020年分別突破4800、6400萬像素技術(shù)，在技術(shù)方面逐漸追上索尼的三星，豪威有了重回第一梯隊(duì)希望。

但這些都要建立在一個(gè)前提上，一向在中國做中低端產(chǎn)品的豪威，如今再做高端產(chǎn)品還會(huì)有人用嗎？這才是問題的關(guān)鍵。

很快，豪威就迎來那個(gè)“有人用”的重大機(jī)遇。

2019年5月，美國政府把華為列入實(shí)體清單，并且禁止英特爾、高通等企業(yè)對華為供貨。華為啟動(dòng)“備胎計(jì)劃”，開始有意識(shí)培養(yǎng)國產(chǎn)企業(yè)，加速供應(yīng)商引入國產(chǎn)替代化。

據(jù)日本調(diào)查機(jī)構(gòu)FomalhautTechno Solutions對華為在2019年9月推出的Mate30手機(jī)拆解分析，美國禁令后的四個(gè)月時(shí)間，按照金額計(jì)算，中國國產(chǎn)零部件使用率已經(jīng)從25%大幅上升到42%，美國產(chǎn)零部件則從11%下降到1%。

豪威承接住這輪國產(chǎn)替代機(jī)遇。野村東方國際證券曾分析，2020年，韋爾股份（豪威）3200、4800萬像素產(chǎn)品被華為和OPPO大量采購。同一年，小米10至尊紀(jì)念版高端旗艦機(jī)推出，后置主攝搭載豪威OV48C產(chǎn)品，豪威開始從副攝回到旗艦機(jī)主攝地位，從備胎逐步轉(zhuǎn)正。

把握住時(shí)代風(fēng)口的，還有格科微和圣邦股份。格科微主攻國內(nèi)中低端CMOS市場，2010年，國產(chǎn)手機(jī)崛起，格科微作為小米、OPPO、vivo和傳音的供貨商得到飛速發(fā)展。格科微也沒有缺席這波國產(chǎn)替代紅利，比如小米10青春版的后置副攝就引入格科微GC02M1產(chǎn)品。

從數(shù)量上來講，格科微的出貨量非常大，甚至超過了索尼，一個(gè)月就能賣出超過1億片。但由于單價(jià)太低，在以銷售金額計(jì)算市場的統(tǒng)計(jì)圖上，有時(shí)會(huì)被歸到“Others”一欄，可見在圖片傳感器領(lǐng)域，技術(shù)領(lǐng)先帶來的高單價(jià)是壓倒性優(yōu)勢。

但格科微也試圖做出改變。2020年7月，格科微申請科創(chuàng)板上市募資69.6億元，這筆錢主要做兩件事：興建12英寸集成電路項(xiàng)目加強(qiáng)產(chǎn)能、研發(fā)更高端CMOS產(chǎn)品。格科微能不能從低端轉(zhuǎn)向高端不好說，但承接這波國產(chǎn)替代機(jī)遇已經(jīng)有所準(zhǔn)備。

還有做電源管理芯片的圣邦股份，它的LED驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)算放大器、開鎖馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等大量產(chǎn)品應(yīng)用在手機(jī)電子、汽車和醫(yī)療領(lǐng)域，產(chǎn)品不僅全部自主研發(fā)，性能還比肩外國同行，國產(chǎn)替代空間非常大。

正因?yàn)槿A為引發(fā)這波國產(chǎn)替代浪潮，使眾多國內(nèi)企業(yè)得以進(jìn)入高端市場。單靠企業(yè)自身技術(shù)研發(fā)趕追外國廠商，基本很難進(jìn)入高端市場。

國內(nèi)電子企業(yè)的發(fā)展路徑，大多從低端做起，再往高端轉(zhuǎn)型。只是這種企業(yè)自己意愿想出來的成長路徑，成功的案例并不多。

要實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)高，背靠國內(nèi)高端企業(yè)給予的時(shí)代機(jī)遇是相對可行選擇，豪威、格科微、圣邦股份都是樣本。但我們必須清醒認(rèn)識(shí)到，當(dāng)機(jī)遇來臨時(shí)，企業(yè)自身是否具備抓住機(jī)遇的核心能力？打鐵還需自身硬是一切發(fā)展關(guān)鍵。

隨著越來越多中國品牌誕生，電子產(chǎn)業(yè)會(huì)發(fā)展得更強(qiáng)，長期投入練好基本功，國產(chǎn)企業(yè)才可能更好走上從分工鏈轉(zhuǎn)換價(jià)值鏈道路。

全文完。

[1]芯人物單記章，愛集微

[2]韋爾股份：圖像傳感器芯片龍頭，野村東方國際證券

[3]韋爾股份：乘國產(chǎn)替代東風(fēng)，CIS龍頭持續(xù)成長，中國銀河證券

[4]諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主：理論到實(shí)踐的艱難之路，科技日報(bào)

[5]韋爾股份：三重動(dòng)力助推，CIS龍頭加速崛起，東興證券