國產(chǎn)圖像傳感器疾行：追趕索尼、三星 惠及晶圓廠

吳新竹

2024年全球圖像傳感器（下稱“CIS”）市場規(guī)模預(yù)計(jì)為214億美元，有望于2029年接近300億美元。維爾股份下屬的豪威、格科微、思特威等國產(chǎn)廠商不斷研發(fā)高端CIS產(chǎn)品，縮短與索尼、三星等海外廠商的差距，中端市場主打性價(jià)比，在安卓手機(jī)、安防與車載領(lǐng)域取得一定的市場份額。

2024年一季度，國產(chǎn)CIS廠商業(yè)績增長強(qiáng)勁，大陸晶圓代工廠加大供應(yīng)力度，與海外廠商的競爭仍將激烈。

手機(jī)CIS性能角逐

圖像傳感器是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的裝置，分為CCD和CMOS兩大類。相比于CCD，CMOS耗電量少、體積小、重量輕、集成度高，被普遍應(yīng)用于手機(jī)攝像頭，手機(jī)用CIS占據(jù)了圖像傳感器市場約70%的份額。2016年是手機(jī)雙攝像頭的元年，2019年三攝成為主流旗艦機(jī)型標(biāo)配，四攝、多攝亦接踵而至，多攝一般是在三攝的基礎(chǔ)上增加微距、虛化或3D等功能攝像頭。

堆棧結(jié)構(gòu)的CMOS在傳統(tǒng)的感光層與底部電路之間增加了一層DRAM動態(tài)存儲器，從而讓感光元件具備短時(shí)間拍攝數(shù)據(jù)量大的影像。索尼十年前推出的第二代堆棧式CMOS IMX214助力其占領(lǐng)了高端手機(jī)CMOS市場。手機(jī)攝像頭過去以像素升級為主，受CMOS尺寸限制，手機(jī)攝像開始注重變焦能力。

索尼于2017年宣布推出業(yè)內(nèi)首個(gè)配備DRAM的三層堆疊式CIS。通過使用堆疊技術(shù)，像素層的面積占比能提升至90%。隨著像素層面積占比的提升，CIS 芯片的物理尺寸大幅下降。

2018年索尼、三星和豪威分別推出了自己的新款高端CIS，索尼的CIS像素最高，IMX586的像素達(dá)到了4800萬（下稱“48mp”）。三星的特點(diǎn)是在支持超高速自動對焦CIS上集成了內(nèi)存芯片，它先將采集到的大量幀存儲到傳感器內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)高清慢動作的拍攝。2019年，豪威實(shí)現(xiàn)對0.8um 48mp CIS的量產(chǎn)。2019年起手機(jī)市場主流攝像頭均采用5000萬像素級別的硬件配置，億級像素雖然陸續(xù)上市，但并非堆砌硬件，更多取決于所采用的技術(shù)方案。

在手機(jī)有限的空間內(nèi)，各終端廠商不斷技術(shù)創(chuàng)新，謀求后攝主攝CIS尺寸越做越大，高端手機(jī)CIS呈現(xiàn)出大底趨勢，未來不僅局限于大底主攝，副攝的傳感器尺寸也將不斷提升。三星CIS尺寸從1/3.4英寸一直增大到1/1.33英寸，華為P70 Pro采用1/1.3英寸索尼傳感器IMX989。

OV50H采用1/1.3英寸，提供旗艦級弱光性能和自動對焦性能，是豪威首款具有水平/垂直四相位檢測功能的傳感器。安卓中高端市場的國產(chǎn)替代正在加速進(jìn)行，豪威OV50H傳感器自2023年四季度以來已經(jīng)商用于國內(nèi)大部分智能手機(jī)的高端旗艦主攝，產(chǎn)品線已基本覆蓋榮耀中高端系列機(jī)型。2023年，思特威推出數(shù)顆用于旗艦機(jī)主攝、包括長焦和廣角的輔攝系列高端產(chǎn)品。

智能手機(jī)CIS未來的升級方向?qū)⒕劢乖贑IS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，通過改進(jìn)感光元件的結(jié)構(gòu)和材料，進(jìn)一步提升感光元件的性能，以及優(yōu)化和升級影像處理算法，通過AI算法突破硬件限制，進(jìn)一步提升圖像的清晰度、動態(tài)范圍，并減少噪點(diǎn)，提高成像質(zhì)量。

方正證券認(rèn)為，面對豪威在產(chǎn)品性能和價(jià)格上的優(yōu)勢，索尼在安卓中高端市場上失利。索尼對CIS的資本開支首度下滑，未來將更多聚焦投資效率的優(yōu)化和盈利能力的提升，其圖像傳感器業(yè)務(wù)2024-2026財(cái)年的資本開支計(jì)劃僅為2021-2023財(cái)年的70%左右，三年計(jì)劃投資首次出現(xiàn)下滑。

韋爾股份圖像傳感器業(yè)務(wù)2023年實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入55.36億元，占主營業(yè)務(wù)收入的比例約為74%，較上年增加13.61%。其中，來源于智能手機(jī)市場的收入上升至77.79億元，約占公司圖像傳感器業(yè)務(wù)的50%，較2022年增長超44%。

格科微2023年手機(jī)圖像傳感器的收入為22.42億元，3200萬像素產(chǎn)品采用了單芯片集成工藝，顯著提高了晶圓面積利用率，并可兼容1/3.1英寸的攝像頭模組尺寸，滿足5G手機(jī)緊湊的ID設(shè)計(jì)需求。

安防與車載CIS藍(lán)海

中國本土安防監(jiān)控產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢顯著，帶動安防類CMOS傳感器市場的快速擴(kuò)張。安防CIS市場競爭格局分散，據(jù)預(yù)測，2025年出貨量和銷售額將分別達(dá)到8.0億顆和20.1億美元，占CMOS圖像傳感器的市場份額占比將分別上升至6.9%和6.1%，年復(fù)合增長率將達(dá)到13.75%和18.23%。

2022年7月，索尼發(fā)布一款用于安防攝像機(jī)的1/3英寸CMOS圖像傳感器IMX675，約512萬像素，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)捕捉整體圖像的全像素輸出以及特定區(qū)域的高速輸出，專有的堆棧結(jié)構(gòu)功耗比傳統(tǒng)型號IMX335約低30%。

據(jù)調(diào)研，豪威的Nyxel技術(shù)延長了像素單位的路徑，使圖像傳感器能探測到更多光子，從而提高整體性能，可以實(shí)現(xiàn)在完全黑暗環(huán)境中使用低功率紅外照明，從而能降低約3倍的功耗。2023年，思特威智慧安防行業(yè)收入為16.71億元，占主營收入的比例為58.49%。在2023年推出了首顆1/1.2"8MP 圖像傳感器產(chǎn)品。

車載攝像頭目前基本在中高端車型上成為標(biāo)配，主要應(yīng)用于倒車影像系統(tǒng)中。未來隨著高級駕駛輔助系統(tǒng)（下稱“ADAS”）的需要，智能汽車如果需要實(shí)現(xiàn)自動緊急剎車、自適應(yīng)巡航、疲勞監(jiān)測、車道偏離輔助、360 度環(huán)視等功能，則需要在車輛上配置6-8個(gè)攝像頭。ADAS視覺系統(tǒng)使用攝像頭采集圖像信息，通過算法分析出圖像中的道路環(huán)境，攝像頭及其CMOS圖像傳感器是ADAS的核心組成部分。據(jù)預(yù)測，汽車電子CMOS圖像傳感器出貨量和銷售額將在2025年達(dá)到9.5億顆和53.3億美元，占CMOS圖像傳感器的市場份額占比將分別上升至8.2%和16.1%，預(yù)期年復(fù)合增長率將達(dá)到18.89%和21.42%。

2023年，韋爾股份來源于汽車市場的CIS收入提升至45.47億元，約占公司圖像傳感器業(yè)務(wù)的30%，較上年增長超過25%。格科威非手機(jī)CMOS圖像傳感器的收入為12.10億元，同比增長13.43%。

與晶圓廠協(xié)同

主流CMOS設(shè)計(jì)廠商都采用了多像素合一技術(shù)，硬件像素重排需要CIS內(nèi)部有圖像信號處理功能，其結(jié)構(gòu)需要雙層堆疊，消耗兩倍的晶圓。例如，華為P40 Pro搭載索尼IMX 700傳感器有效像素為5200萬，但最高支持16像素合成1個(gè)大像素；三星Galaxy S20 Ultra搭載的ISOCELL HP2傳感器亦可實(shí)現(xiàn)16合1。豪威于2022年研發(fā)出2億像素圖像傳感器OVB0B，該傳感器16合1以后可輸出1250萬像素。

2020年至2023年CIS制程集中在180nm至22nm，且像素越高所需制程越先進(jìn)，ISP圖像信號處理器通過各類算法對圖像信號進(jìn)行處理和改善，制程要求可達(dá)到12nm。像素的增加意味著芯片面積的增加，原本12寸晶圓切割1.3微米1200萬像素的產(chǎn)品可以切割2500顆左右，而主流0.8 微米4800 像素的產(chǎn)品只能切割1200顆左右，像素越高消耗的晶圓廠的產(chǎn)能越大，供需缺口增加，對晶圓代工廠的響應(yīng)能力帶來挑戰(zhàn)。

索尼受限于自身的晶圓廠的產(chǎn)能與良率，轉(zhuǎn)向與臺積電合作。三星在小像素產(chǎn)品上具備一定優(yōu)勢，HM和HP系列是其重點(diǎn)推廣的億級像素產(chǎn)品，曾在2021年提高CIS產(chǎn)能，而如今面對AI產(chǎn)業(yè)對存儲芯片的高需求，其戰(zhàn)略重心轉(zhuǎn)向提高HBM的良率，CIS的戰(zhàn)略優(yōu)先級下降。

與索尼和三星的IDM模式不同，豪威、思特威和格科微采用Fabless模式，具有更加靈活的產(chǎn)能調(diào)配能力。中國大陸晶圓廠的業(yè)績已經(jīng)在CIS的帶動下持續(xù)改善，華虹公司CIS產(chǎn)品需求自2023年四季度起便十分強(qiáng)勁，2024年一季度該公司邏輯平臺的增長主要來自于CIS。中芯國際2023年四季度起CIS及ISP收入環(huán)比增長超過六成，產(chǎn)能供不應(yīng)求，CIS系該公司2024年重點(diǎn)布局的領(lǐng)域。

2024年一季度，伴隨著韋爾股份在高端智能手機(jī)市場的產(chǎn)品導(dǎo)入及汽車市場自動駕駛應(yīng)用的持續(xù)滲透，該公司營業(yè)收入同比增長30.18%；格科威和思特威的營業(yè)收入分別同比增長51.13%和84.31%，凈利潤扭虧為盈，格科威高像素單芯片產(chǎn)品出貨量增加，思特威智慧安防及手機(jī)高階像素產(chǎn)品出貨上升。