Sony 慢動作攝影晶片 IMX400 解密,每秒 960 格是怎麼達成的?

作者 | 發布日期 2017 年 06 月 19 日 17:30 | 分類 手機 , 晶片 , 零組件 follow us in feedly

Sony 在 2017 MWC 發表的 Xperia XZ Premium 最近已經開始上市。其特色除了採用最新 Qualcomm 835 晶片組,延續上一代 Z5 Premium 使用的 4K 螢幕,並加入 HDR 功能。最主要的亮點為同時發表的 Xperia XZs 也使用的 Motion Eye 相機技術。Mobile Eye 使用堆疊式(Stacked)記憶體感光元件(CMOS Image Sensor / CIS),能錄製每秒 960 格錄影功能(960p),拍攝效果有如電影的慢動作特效。此功能成為 Sony 在 2017 旗艦機上的招牌。



Sony 一直都是影像感測器技術市佔率的領先者。在影像感測器發展史上,Sony 從早年 CCD 發展到 CMOS 技術。作為數位攝影不可缺少的基本元件,Sony 的 CIS 除了供給自己相機與手機部門使用,也供應給手機的競爭對手,包括蘋果 iPhone 與 Samsung 的 Galaxy 系列手機(目前最新 iPhone 7 與 Galaxy S8 也持續採用),目前市佔率全球第一。

使用在 XZ Premium 與 XZs 上的 CIS 為 IMX400,規格為 1/2.3、1,900 萬畫素。對 IMX400 如何做到電影慢動作(960p)呈現特殊時刻,Sony 除了在東京發表會透露一些規格,外界很難一窺堂奧,還好今年 IEEE ISSCC(國際固態電路研討會),Sony 發表了一篇《A 1/2.3-inch 20Mpixel 3-layer Stacked CMOS Image Sensor with DRAM》,外界可以透過了解在電路設計發表的最高殿堂中揭露的內容,進一步了解這顆 IMX400 的運作祕密。

Motion Eye 的運作方法,可以相容於目前的 MIPI 協定,採用 CSI2(CPHY 2.0GPs / Lane)與傳統應用處理器(AP)內的影像處理單元(ISP)相連,在慢動作播放時,也就是先用高速攝影(960p)錄製,後而使用正常速度(通常為 30p)播放來產生慢動作效果,而 IMX400 最大的優勢就是不需要改變現行手機內對 AP 的支援(不需更新更快 MIPI 的傳輸速度),單靠使用 IMX400 即可讓手機支援此慢動作播放的功能。

客製化 DRAM 儲存傳送資料是關鍵

IMX400 如其所宣稱的採用 3 層堆疊元件組成(見下圖),分別是最上層的背照式感光元件,與最下層的邏輯電路元件。中間使用 DRAM 形成類似三明治的組合。由於手機內的相機鏡頭模組空間相當珍貴,所有組成單位都必須非常輕薄,根據 Sony 公布的資料,除了本身製造的 CIS,內含的 DRAM 包含傳統 CIS 內的 Row driver,推測應該是 Sony 為了平衡三層元件的電路面積,與合作夥伴一起客製化開發的 DRAM,此 DRAM 的目的最主要為用來高速攝影(960p)時當儲存的功能。

(Source:Sony

根據在 ISSCC 發表的論文,上層 CIS 採用 1AL5Cu 90nm 技術,中層 DRAM 為 1W3AL 的 30nm 製造,最下層的邏輯電路則為 1AL6Cu 40nm 技術。拆解機構 TechInsights 的報告也證實論文內晶片面積中間採用矽穿孔技術(TSV)相連 CIS 到 DRAM 的 Row Driver,再繼續把訊號傳送到最下層邏輯電路內的 ADC,由於高速攝影產生的瞬時大量資料,共有 4 個 ADC 內來產生轉換後的數位資料,而為了將此資料能即時儲存到 DRAM,Sony 特地設計了高達 512 Bits 來運作在 200 MHz 的傳輸介面為 DRAM 與邏輯電路溝通,非常類似 Wide IO 的設計理念。

而實際拍攝高速攝影的運作模式,在使用者按下高速攝影觸發點後,CIS 即會從傳統的 30p 轉換為 960p,在塞滿 DRAM 後,就會自動回復原來 30p 的錄製,CIS 也會在傳送當下圖片給 AP 時,將之前錄影儲存在 DRAM 的高速攝影內容,在目前 1/30 秒的拍攝間隔時同時傳回給 AP,一旦 DRAM 傳回清空,手機即可繼續錄製下一個慢動作播放的內容。

IMX400 使用的高速攝影功能不只可新增慢動作播放的內容,由於 CIS 本身每次掃描線的儲存時間都不相同的特性(CIS 不像 CCD 一樣所有掃描線都開始同時儲存[全面曝光/Global Exposure],而是一次儲存一條(Line Exposure),此為 CMOS 本身運作的特性),在拍攝的物件高速移動時會產生 Rolling Shutter 效應,此狀況會讓拍攝後的照片扭曲變形。體積較大型的數位單眼相機之所以能夠避免這個問題是採機器快門,但在手機上實施機器快門目前有難度,而 IMX400 具備的高速攝影能力(也就是縮短每次掃描線相隔的時間)可以減緩此拍攝問題的效應。

Sony 這次透過 CIS 在手機的創新勢必引起競爭對手跟進,最可能藉由採用 Sony 半導體的上述 IMX400 來達成同樣功能。而目前在 Mobile CIS 市佔率第二高的 Samsung 由於同時兼具 CIS 與 DRAM 製造技術(故在 IMX400 的 DRAM 合作夥伴可能為 Micron 或 SK Hynix),預計跟進發表類似技術也可預期,但一般讀者可能比較在意的是蘋果(或是其他手機),何時會跟進採用放入 iPhone 內。

(首圖來源:Sony

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