為什麼談CMOS
數字時代，攝影機、攝像機和照相機的技術原理都越來越類似，簡單的講無非是：1.獲取以模擬信號形式存在的光波並數字化，這是影像傳感器，也就是CMOS乾的事。以前還有CCD，現在基本只在高端的廣播級攝像機上才有，CMOS是比CCD更加簡易的結構，技術壁壘更低，成本更低，良率更高，這也加速了現在影像傳感器的高速普及。CMOS決定了影像的分辨率、原始寬容度、原始信噪比、幀率等等，可謂塑造了影像的“骨幹”。2.影像處理器或者通用的DSP，也就是各個廠家的：DIGIC、Bionz、VENUS、EXPEED、TruePic。這些花哨的名字背後其實就是一塊DSP半導體芯片和可擦寫的固件，這部分對CMOS傳過來的影像數字信號進行處理和編碼壓縮，可謂修剪了影像的“形”。3.影像信號最後的出路要麼是通過各種接口傳輸出去，要麼是寫入到各種存儲卡或SSD中，或者在未來直接入雲。以前的儲存介質還有磁帶和硬盤，這些帶機械結構的存儲介質已從影像主機上消失，這也進一步簡化了影像主機的技術壁壘。上面任何一個話題都可以寫一本完整的書，我們今天就先以CMOS為切入點，看看CMOS經歷了哪些革命才發展到今天的現狀。
先用數字與圖表說話
藝術是令人感動的，技術是令人興奮的，而數字是讓人冷靜下來理性思考的。本著這個原則，我們在探討技術前先以數字說話，看看影像世界最為核心的CMOS市場都有哪些玩家？
2012年CMOS影像傳感器市場份額（Source: Yole Developpement）
索尼是CMOS市場的傳統領頭羊，只不過在2012年前後，索尼的領先優勢並不明顯，比老二老三多不了幾個百分點。
2014年CMOS影像傳感器市場份額（Source: Yole Developpement）
到2014年，得益於手機CMOS和微單/無反相機CMOS的增長，索尼和三星都在市場份額上取得了進步，分別增加到27%和19%。索尼在2013年開始加強微單產品線，並著重發力全畫幅微單。彼時三星在數碼相機市場上也是雄心勃勃，於稍後的2014年發佈了當時最強的NX1無反相機。它採用了世界首款2800萬像素背照式APS-C感光元件，並支持最高15fps連拍和H.265格式4K視頻拍攝，單次充電可拍攝最多500張照片，遠超其他競爭對手。
2015年和2016年CMOS影像傳感器市場份額（Source: Yole Developpeme
2015年和2016年見證了索尼CMOS市場份額的飆升，幾乎是增長到2012年的兩倍！達到了創紀錄的42%，也就是幾乎佔據了全年116億美金市場份額的一半，接近49個億美金。一方面索尼的手機CMOS出現在了幾乎所有手機廠家的旗艦型號上。另一方面，索尼微單產品線也在全球數碼相機市場下降的大趨勢下逆流而上，不斷增長。同期的其它廠家似乎都不怎麼好過，曾經雄心壯志的三星放棄了相機業務，但憑藉出售CMOS依然保持著老二的市場份額。在巔峰時期佔據9%市場份額的佳能跌的厲害，降到3%，和松下尼康保持在同一水平，基本上也就自產自用了。
這一上一下，索尼也算是創造了市場“奇蹟”
MOS所在半導體行業是一個很特殊的行業，研發生產的成本比其它行業高很多，技術壁壘也高，特別容易產生巨頭壟斷，強者越強，弱肉強食，CPU行業的Intel就是一個明顯的例子。所以，未來CMOS市場大概是個什麼狀況，大家心裡也基本有譜了。索尼一方面因極高的銷售額會投入大規模的研發資金，保持自己的技術領先地位，“黑科技”會層出不窮。另一方面，具有準壟斷地位的索尼在價格方面也就具備了更大的話語權，微單這幾年槓槓的價格就側面說明了這一點。對於消費者，這到底是好消息還是壞消息？！
再談談技術，看看索尼CMOS這幾年是如何練就葵花寶典的？
在2007年索尼發佈了首款Exmor成像器，最大變化是每列像素內置了模數轉換器（ADC）。傳統方式是每列像素產生的信號匯聚以後再傳輸到單個或數個ADC之中。而Exmor每列像素擁有獨立的ADC，可以分佈式地完成模數轉換，而且不用像傳統的ADC那樣高負載，可以在低頻率下運行，有效減少了噪聲，提高了信噪比。而且Exmor輸出的是數字信號，抗干擾性更好，降低了傳輸過程中噪聲產生的可能性。
傳統CMOS（左）與每列像素內置ADC的Exmor CMOS（圖片來源索尼半導下體）
Exmor CMOS被用在了15年發佈的A7R2之前的所有全畫幅微單型號上，包括A7一代二代，A7S一代二代，A7R一代。在專業攝像機和攝影機領域，這個成熟的Exmor CMOS技術應用最多，除了新發布的一英寸成像器攝像機採用下一代技術，其它幾乎全部是Exmor，包括大家耳熟能詳的HDV、NXCAM、XDCAM和FS系列機型。
2008年索尼推出了採用背照式技術的Exmor R成像器。傳統成像器的拜爾陣列濾鏡與光電二極管間存在大量金屬連線，阻隔了進入成像器表面的大量光線。在背照式結構下，金屬連線轉移到光電二極管的背面，光線不再被阻擋，光電轉換效率大大提高。
傳統CMOS（左）與背照式Exmor R CMOS（右）（圖片來源索尼半導體）
Exmor R CMOS最初先應用在手機成像器中，後來面積越做越大，做到了1英寸，開始應用到民用的黑卡和專業的單片攝像機上。2015年索尼推出了A7R2，採用有效像素約為4240萬，35mm全畫幅Exmor R CMOS背照式成像器，取消了低通濾鏡功能，實現記錄更出色分辨率和清晰度的高品質影像。在背照式設計的基礎上還加入無隙芯片鏡片技術和納米抗反射塗層，從而提高了成像器的光線收集效率，實現了高分辨率、高感低噪和高動態範圍。A7R2還採用了銅佈線技術，與鋁線相比，銅線的導電電阻大約低40%，讓芯片運行速度提高15%，可靠性大大提高。
傳統鋁佈線CMOS（左）與銅佈線背照式Exmor R CMOS（右）（圖片來源索尼）
在2012年索尼發佈了堆棧式（Stack）結構的CMOS，將其命名為Exmor RS。上一代背照式結構將濾鏡與光電二極管之間連線轉移到光電二極管背面，但光電二極管周邊依然存在大量電路。於是堆棧式結構將這些電路轉移到光電二極管背面，進一步提高了成像器表面的採光面積。而且這種新結構可以降低生產難度，把像素層和電路層兩塊不同工藝、不同類型芯片單獨生產然後再貼合。
傳統背照式Exmor R CMOS（左）與堆棧式Exmor RS CMOS（右）（圖片來源索尼半導
Exmor RS依然先小再大，先從1英寸的RX100四代和RX10二代開始使用（包括最新的RX0）。後來又用到全畫幅的A9上，通過Exmor RS拉開了9系和7系的差距。
前面講到Exmor RS的新結構可以把像素層和電路層分開，這在意想不到的方面又開了一扇窗，這就是在兩層之間加入緩存層。新增加的緩存層可以把像素層光電二極管讀取的信號直接讀取並緩存，這大大提升了CMOS的讀取速率。
堆棧式Exmor RS CMOS（左）與加入DRAM層的三層堆棧式Exmor RS CMOS（圖片來
加入DRAM層的索尼三層堆棧式CMOS橫斷面（圖片來源索尼半導體）
三層堆棧式CMOS帶來至少兩方面的好處：一是可以提高單幀畫面的讀取速度，這是攝影中高速連拍的基礎，也為視頻拍攝中降低果凍效應打好基礎。另一方面，如果緩存容量足夠大，超高速拍攝將會更加簡單。
（圖片來源索尼半導體）
索尼3層堆棧式CMOS成像器超級慢動作效果
視頻時長1分38秒，請自主選擇WIFI下觀看
三層堆棧式Exmor RS CMOS在A9中的應用偏向攝影，在電路層與像素層之間新增一層，不僅有內置高速信號處理電路因而在規模和功能方面可以得到大幅增強，還有內置的集成內存可以短時間存儲產生的大量數據，讀取速度相比前作提升約20倍。
A9的三層堆棧式Exmor RS CMOS
三層堆棧式Exmor RS CMOS在黑卡系列的應用偏向視頻，使得黑卡系列獲得了“速度大師”的美名。
到此為止，我們基本盤點了CMOS在索尼“民用”級別的應用發展，注意這不是全部，畢竟索尼還有強大的專業產品線，鑑於篇幅，我們擇日再起。
我們是“黑科技”粉
有朋友說我們是這個“索”粉，那個“米”粉，但是我們只想說，我們是“黑科技”粉。不管哪個廠家有“黑科技”，我們都願意刨根究底，研究透徹，這是我們的興奮點。找到真正的“黑科技”，把他們通過淺顯易懂的形式呈現出來，和大家一起興奮，不亦樂乎！
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