Sony (Japan) или China: чьи матрицы и камеры работают лучше ночью?

Глава 1. Физическая природа кремния: Классификация фундаментальных типов сенсоров

Прежде чем погружаться в геометрию построения пикселей, необходимо жестко разграничить два базовых понятия: физический тип полупроводникового прибора (принцип, по которому пиксель улавливает свет и превращает его в электрический сигнал) и архитектуру компоновки (то, как эти пиксели физически расположены на подложке относительно логических схем). Смешивание этих понятий — главная ошибка при техническом анализе современных систем ночного видения.

На сегодняшний день в мировой практике существует четыре ключевых типа сенсоров изображения. Они кардинально отличаются по технологии производства, физике считывания данных и возможностям работы в темноте:

• CMOS (КМОП) — Комплементарные металл-оксид-полупроводники. Самый популярный тип сенсоров на сегодняшний день. Его главное технологическое отличие заключается в полной автономности каждой светочувствительной ячейки. Преобразование накопленных фотонов в электрическое напряжение происходит непосредственно внутри самого пикселя. Это позволяет интегрировать аналого-цифровые преобразователи (АЦП), преобразующие аналоговый сигнал в цифровой двоичный код, прямо на кристалл подложки. Технология CMOS характеризуется колоссальной скоростью параллельного считывания данных, низким уровнем энергопотребления и возможностью гибкого поканального управления временем экспозиции (выдержкой).
• CCD (ПЗС) — Приборы с зарядовой связью. Исторический предшественник технологии CMOS. В этих матрицах пиксели представляют собой пассивные конденсаторы, которые способны только накапливать электрический заряд под воздействием света. Чтобы считать готовую картинку, матрица последовательно, строка за строкой, «переливает» электрический заряд по цепочке от пикселя к пикселю к единому выходному аналоговому усилителю, расположенному на самом краю чипа. Обладает великолепной однородностью картинки и полным отсутствием фиксированного структурного шума, однако технология является слишком медленной, энергоемкой и дорогой для современных систем высокого разрешения.
• EMCCD — Электронно-умножительные ПЗС-сенсоры. Узкоспециализированная модификация классической CCD-матрицы, созданная исключительно для работы в условиях экстремальной темноты (астрономия, научные исследования, военная оптика). Перед тем как накопленные электроны попадут на аналоговый усилитель, они проходят через «каскад размножения» — специальный регистр умножения под высоким напряжением (до 50 Вольт). Каждый электрон лавинообразно выбивает еще несколько вторичных электронов. Это позволяет регистрировать даже единичные фотоны (штучные кванты света), но платой за это становится сильный избыточный шум умножения и запредельная стоимость производства.
• SPAD — Однофотонные лавинные диоды. Самая молодая и перспективная полупроводниковая технология, пришедшая из систем Лидар (оптических лазерных локаторов). Пиксели SPAD работают в так называемом гейгеровском (сверхкритическом) режиме под сильным обратным смещением напряжения. Как только один-единственный фотон ударяет в рабочую область пикселя, происходит мгновенный электрический пробой полупроводника, формируя мощный цифровой импульс. Матрица SPAD вообще не измеряет величину накопленного заряда — она буквально осуществляет штучный подсчет прилетевших частиц света за наносекунды. Идеально подходит для трехмерного ИИ-зрения, но имеет пока очень низкое физическое разрешение из-за массивной транзисторной обвязки каждого лавинного диода.

Глава 2. Геометрия фотонов: Анатомическая эволюция от FSI к Stacked BSI архитектурам

Когда тип сенсора определен (в 99% современных гражданских систем видеонаблюдения и регистраторов это CMOS), в силу вступает инженерная топология — то, как именно разместить внутренние кремниевые слои, чтобы поймать максимальный объем ночного светового потока.

1. Классическая тупиковая ветвь: FSI (Front-Illuminated)

В КМОП-матрицах прошлых поколений использовалась фронтальная засветка FSI. Кремниевый чип собирался как стандартный пирог: на самом дне находился светочувствительный фотодиод, а над ним прокладывались слои металлических дорожек (алюминиевые или медные проводники), обеспечивающих питание пикселя и передачу накопленных данных к аналого-цифровым преобразователям. В результате свет, проходя через микролинзу, сталкивался с плотной «металлической решеткой». До фотодиода долетало в лучшем случае 35–40% фотонов. Ночью такие матрицы были практически слепы, а яркий свет фар вызывал сильные переотражения от металла.

2. Технология BSI (Back-Illuminated) и преодоление физических барьеров

Чтобы убрать металлические препятствия с пути света, инженеры предложили радикальное решение: перевернуть кремниевую пластину «вверх ногами», расположив слой металлической проводки под фотодиодом. Эта архитектура получила название BSI (обратная засветка).

• Механическое истончение подложки (Back-thinning): Чтобы свет гарантированно пробился сквозь кремний к p-n переходу, пластину нужно было химически и механически сточить до невероятной толщины в 1–1.5 микрометра. Кремний такой толщины становится хрупким как мыльная пленка и ломается от любого прикосновения. Была разработана технология Wafer Bonding — приваривание ультратонкого рабочего слоя к толстой «холостой» кремниевой пластине-носителю для жесткости.
• Темновой ток (Dark Current): При грубой шлифовке кремния на его тыльной стороне разрушалась кристаллическая решетка. Возникали «оборванные химические связи», которые в темноте начинали спонтанно генерировать электроны без участия света. Камера видела это как сплошной цветной шум и паразитные пятна. Инженерам пришлось изобретать сложные методы пассивации (насыщения дефектов атомами водорода или фтора), чтобы химически «залечить» поверхность чипа.

3. Современный вершина литографии: Stacked (Слоистые) матрицы

Архитектура BSI очистила путь свету, но обнажила другую проблему: фотодиод и транзисторная логика считывания по-прежнему находились на одном горизонтальном слое кремния, отнимая друг у друга полезное место. Stacked-архитектура (слоистая) превратила матрицу в многоэтажный полупроводниковый небоскреб. Верхний этаж полностью отдается под чистый кремний фотодиодов и собирающих свет микролинз. Коэффициент заполнения площади (Fill Factor) достиг рекордных 100%. Вся управляющая логика, скоростные шины, схемы шумоподавления и АЦП были перенесены на отдельный нижний кристалл.

Соединение слоев происходит методом Cu-Cu Direct Bonding (прямая диффузия медь-медь). Миллионы пикселей верхнего слоя соединяются с транзисторами нижнего слоя вертикальными нано-контактами с шагом менее 1 микрометра. Это позволило повысить скорость считывания в десятки раз и реализовать сложнейшие алгоритмы обработки шумов на аппаратном уровне прямо в процессе съемки.

Глава 3. Великое противостояние: Физика Sony против литографии Альянса OmniVision + TSMC

На современном рынке Stacked BSI сенсоров высокой четкости сформировалось два мощных лагеря. С одной стороны — японская корпорация Sony, контролирующая полный цикл разработки и имеющая собственные фабрики в Японии. С другой стороны — фаблесс-альянс американского разработчика OmniVision (принадлежащего китайской Will Semiconductor, но сохранившего R&D центры в США) и тайваньского полупроводникового завода TSMC, обладающего самыми передовыми литографическими сканерами в мире. Их борьба идет на уровне наноструктур.

1. Подход Sony: Архитектура DCG (Dual Conversion Gain)

В своих ночных сенсорах (знаменитые линейки STARVIS и STARVIS 2, например, чипы IMX675, IMX678) Sony делает главную ставку на управление чувствительностью самого узла считывания пикселя, который называется плавающей диффузией (Floating Diffusion). Матрица способна мгновенно изменять внутреннюю электрическую емкость этого узла, переключая два режима работы:

• Режим HCG (High Conversion Gain): В условиях глубокой темноты пиксель переключается в режим ультра-малой внутренней емкости. Даже три пойманных фотона создают высокое напряжение, позволяя камере различить детали объекта и номера машин при минимальном уровне ночных шумов.
• Режим LCG (Low Conversion Gain): При появлении в кадре яркого света (например, встречные фары автомобиля или уличный прожектор) емкость узла аппаратно увеличивается, позволяя принять огромный поток электронов без ухода пикселя в необратимое насыщение (белое пятно пересвета).

2. Ответ OmniVision и TSMC: Конденсаторная архитектура LOFIC

Альянс OmniVision/TSMC в своих флагманских ночных решениях (архитектура PureCel®Plus-S, сенсоры серий OV50H, OX08B) применил принципиально иную физическую схему — LOFIC (Lateral Overflow Integration Capacitor). Инженеры TSMC смогли разместить на нижнем логическом слое прецизионный микроконденсатор повышенной плотности прямо под каждым светочувствительным пикселем верхнего слоя.

Когда ночью в камеру бьет направленный луч прожектора или фары, пиксель мгновенно переполняется электронами. Но эти «лишние» электроны не разрушают соседние пиксели и не превращают зону кадра в сплошное белое пятно — они упорядоченно стекают в этот скрытый конденсатор LOFIC. Матрица за один-единственный цикл экспозиции считывает информацию параллельно и из пикселя, и из конденсатора, получая честный динамический диапазон до 140 дБ. Главное преимущество LOFIC — полное отсутствие пространственного смаза и двоения движущихся объектов ночью, так как съемка ведется в один этап, без чередования длинных и коротких выдержек.

Глава 4. Архитектурный рывок SmartSens: Субпиксельные столбики и чипы «Всё в одном»

Китайский разработчик SmartSens Technology совершил огромный инженерный шаг, перейдя от создания простых КМОП-структур к проектированию уникальных полупроводниковых решений. Их последние обновления нацелены на полное импортозамещение и прямое вытеснение Sony в сферах ночной охраны, автомобильного зрения и робототехники.

1. Оптические микро-колонны: Технология Micro-Pillar™

Главная физическая проблема многомегапиксельных ночных 4K-матриц — резкое падение угла падения лучей света на краях кадра. Свет начинает отражаться от межпиксельных границ, преломляется некорректно и теряется в подложке. В своих новейших 8-мегапиксельных сенсорах SmartSens внедрила уникальную архитектуру Micro-Pillar™.

Инженеры создали вертикальные субпиксельные волноводы — кремниевые микро-столбики высокой точности, интегрированные непосредственно между верхними цветовыми фильтрами и нижними фотодиодами. Эта структура полностью меняет физику преломления: косые и рассеянные лучи света не рассеиваются, а как по миниатюрному оптоволокну принудительно направляются на самое дно светочувствительного колодца пикселя. Это позволило добиться стабильного цветного изображения высокой четкости в режиме Ultra-Starlight при критическом дефиците фотонов без использования ИК-подсветки.

2. Компоновка «Всё на чипе»: Интеграция ISP и SerDes

Обычно CMOS-матрица представляет собой лишь устройство съема, выдающее сырой поток данных (RAW), который по длинным шлейфам отправляется на центральный процессор устройства. SmartSens совершила прорыв в автомобильном секторе, выпустив 3-мегапиксельный сенсор, где на едином кристалле Stacked-матрицы объединены сразу три сложных независимых компонента:

• Светочувствительная BSI-матрица с аппаратной изоляцией пикселей SFCPixel®.
• 片上ISP (On-Chip ISP): Полноценный сигнальный процессор изображения, который производит дебайеризацию, гашение ночных цифровых шумов и автоматическую коррекцию контраста прямо «внутри глаза» камеры.
• SerDes (Сердес) передатчик: Высокоскоростной интерфейс, мгновенно выстреливающий готовую обработанную картинку в общую бортовую сеть автомобиля.

Такая архитектурная интеграция сократила задержку передачи и обработки сигнала до наносекунд, что критически важно для систем автопилота и ночной помощи водителю (ADAS), где задержка в пару миллисекунд на высокой скорости означает метры лишнего тормозного пути.

Глава 5. Технологический прагматизм GalaxyCore и финальный инженерный анализ

Совершенно иной, но финансово сверхуспешный путь выбрала компания GalaxyCore. Вместо того чтобы усложнять и удорожать производство за счет многослойных Stacked-структур во всех сегментах рынка, их инженеры сфокусировались на выжимании максимума из классических одночиповых (Non-stacked / монолитных) архитектур.

1. Платформа GalaxyCell® 2.0 и физика FPPI®Plus

Чтобы успешно разместить 50 мегапикселей на одном кристалле без разделения на слои и не ослепнуть в темноте, GalaxyCore внедрила технологию субмикронной изоляции FPPI®Plus (Front-Side Pinned Photodiode Isolation) в комбинации с глубокими барьерами с обратной стороны bDTI.

Это позволило физически углубить «световой карман» каждого фотодиода при его микроскопической ширине (до 0.7 мкм). Пиксель стал узким, но очень глубоким. За счет этого увеличилась емкость насыщения (Full Well Capacity) — пиксель удерживает больше электронов, снижая тепловой шум в темноте. В ночном режиме матрица аппаратно группирует пиксели (режим 4-in-1 Binning), превращаясь в высокочувствительный ночной сенсор с виртуальным пикселем 1.4 мкм, сохраняя низкую себестоимость монолитного чипа.

2. Сводный технический анализ передовых ночных архитектур

Ниже представлена детальная инженерная таблица, описывающая физические характеристики и архитектурные особенности современных матричных платформ. Для обеспечения полной совместимости со всеми типами экранов таблица снабжена горизонтальной прокруткой.