豪威集团 – 在全球CIS市场上与索尼和三星并驾齐驱的中国

shuszhao · 发表于 2020-9-25 10:27:18

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在全球市场上，豪威集团是与索尼和三星位列同一梯队的CIS厂商。在安防、医疗、笔记本电脑、新兴应用等细分市场，豪威也是长期保持领导地位的CMOS传感器供应商。整合后的豪威集团有什么样的技术和市场策略？其下一个目标是什么呢？

一、CMOS图像传感器（CIS）的发展历史

● 图像传感器简介

图像传感器（Image Sensor）是一种将光信号转换为电信号并使之成像的传感器件，它可以将光波的可变衰减（当光波穿过物体或从物体反射回来）转换为传递信息的小电流。图像传感器广泛应用于模拟和数字类型的电子成像设备，包括数码相机、手机、光电鼠标、医疗成像设备、夜视设备和雷达等。数字图像传感器有两种主要类型：电荷耦合器件（CCD）及有源像素传感器（CMOS传感器）。两种传感器均基于金属氧化物半导体（MOS）工艺技术，CCD传感器是基于MOS电容，而CMOS传感器则基于MOSFET（MOS场效应晶体管）放大器。
现代数字图像传感器的一个关键组成部分是固定光电二极管（pinned photodiode, PPD），它是由NEC的研发人员于1980年发明的。PPD光电探测器具有低滞后、低噪声、高量子效率和低暗电流的结构，很快被CCD传感器供应商所采用，成为消费类电子摄像机和数码相机的关键组件。然后，CMOS图像传感器也开始采用PPD。现今，几乎所有CCD传感器和CMOS传感器都采用PPD光电二极管结构。

有源像素传感器（APS）的每个像素单元都带有一个PPD光电探测器，以及一个或多个晶体管。APS有不同的类型，其中互补型MOS APS最为流行，也就是我们所说的CMOS传感器，它逐渐替代CCD传感器而广泛应用于手机摄像头、电脑摄像头、数码相机等消费电子领域，以及汽车、安防监控、医疗和工业领域。

● CCD vs. CMOS图像传感器

CMOS相对于CCD图像传感器的最大优势就是成本，因为CMOS传感器可以在一个芯片上集成图像感应和处理单元，而且采用常见的CMOS工艺即可批量生产。此外，CMOS传感器的功耗和成像延迟也比CCD器件低。由于CMOS传感器通常要在大约1/60或1/50秒（取决于刷新率）内捕获一行信息，因此可能会引起“滚动快门”的现象，图像会向左或向右偏斜。例如，当跟踪高速行驶的汽车时，虽然汽车不会变形，但背景看起来会倾斜。而基于帧传输的CCD传感器并不存在此问题，因为它可以一次将整个图像捕获到帧存储中。此外，能够以较低的噪声捕获图像也是CCD传感器长期拥有的一个优势。
随着CMOS技术的改进，CCD的低噪声优势也不复存在了，因为今天的CMOS传感器性能已经超越CCD传感器。有了“全局快门（global shutter）”技术，CMOS传感器的背景偏斜问题也解决了。

二、全球CIS应用市场及竞争格局

据Yole数据统计和预测，2017年是CMOS图像传感器的最大增长点，比前一年增长了20%。2018年全球CIS市场规模为155亿美元，2019年同比增长10%，达到170亿美元。在智能手机普及和手机摄像功能提升(双摄甚至更多摄像头等)的推动下，预计2024年全球CIS市场规模将达到240亿美元。除了手机外，汽车电子、医疗和安防等市场对CIS的需求也在快速增长。

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● CIS的主要应用市场

单只手机摄像头的配置量不断增加，目前后置摄像头个数已做到三摄，未来随着3D深度摄像、神经网络长波红外镜头等技术的发展，到2023年有望达到五摄。随着面部识别、眼动追踪等需求的增长，到2023年前置摄像头个数有可能达到4只。未来，单只手机摄像头个数有望突破10个。车载领域的CIS应用包括：后视摄像(RVC)、全方位视图系统(SVS)、摄像机监控系统（CMS）、FV/MV、DMS/IMS系统。其中后视摄像(RVC)是销量主力军，呈稳定增长趋势，2016年全球销量为5100万台，2018年为6000万台，2019年达到6500万台。而FV/MV全球销量增长最为迅速，2016年为1000万台，2018年为3000万台，2019年销量达4000万台。预计未来几年FV/MV依旧保持高速增长，2021可达7500万台，直逼RVC全球销量。

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全球汽车图像传感器市场增长。（数据来源：豪威集团）

在安防领域，目前监控摄像机的类型主要有：高清摄像机、宽动态范围摄像机和3D立体摄像机。高清摄像头中使用的图像传感器对分辨率的要求较高，在60帧/秒等高帧率下能够实现720P或1080P的清晰度；宽动态范围摄像机的芯片上集成宽动态范围摄像技术以及图像处理技术，能在极暗和极亮环境下拍摄；3D立体摄像级具有在动态光环境中保持追踪精度的能力，可与视频分析技术配合使用。全球安防摄像机市场销量在2015年约28万件，其中监视摄像机约8万件，安保系统摄像机约20万个。预计到2021年安防摄像机市场销量约64万件，其中监视摄像机约22万件，年均复合增长率为18%，安保系统摄像机约42万个，年均复合增长率约13%。
在医疗影像领域，CCD传感器保持稳定增长。CMOS传感器凭借其小像素尺寸、高分辨率、降低噪声水平和暗电流以及低成本方面的优越性，在医疗影像领域得到越来越广泛的应用，未来市场看涨。全球医疗成像设备行业是一个350亿美元的巨大市场，预计2016-2022年复合年增长率5.5％。2016年，医疗传感器市场规模为3.5亿美元。预计2016-2022年复合增长率8.3％，到2022年将达6亿美元。全球内窥镜市场的增长十分可观，据TSR统计，2018-2023年的增长率高达30%，预计今年出货量超过1000万个，其中医疗和工业用内窥镜占据主导份额。

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数据来源：TSR

● 全球CIS市场Top 3

据Yole统计，2019年索尼继续保持着CMOS图像传感器领域的领先地位，以49.2%的市占率位居第一；三星以19.8%的市占率排名第二；豪威则以11.2%的市占率位列第三。前六大厂商占据90.8%的市场份额，市场集中度非常之高。

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数据来源：Yole, 前瞻研究院

索尼在图像传感器市场耕耘多年，相继开发出高灵敏度背照式CIS，推出2层/3层堆叠技术，从数码相机切入手机传感器市场，赢得CIS市场龙头老大的地位。三星公司的图像传感器业务发展迅速，这在很大程度上得益于其独创的ISOCELL技术。排名第三的豪威科技(OmniVision)现已被韦尔半导体收购，成为豪威集团旗下公司。豪威科技致力于CMOS图像传感器及相关周边产品，是影像系统解决方案的创新技术领导者。其主要产品包括 CMOS 图像传感器、微型影像模组封装(CameraCubeChip)、硅基液晶投影显示(LCOS)、动态视觉传感器，以及针对特定应用的ASIC芯片等，广泛应用于消费电子和工业应用领域，包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑、网络摄像头、安全监控设备、数码相机、汽车和医疗成像等。

三、豪威集团品牌和战略定位

收购豪威科技和思比科后，韦尔半导体的2019财年营收为136.32亿元，在中国半导体行业协会IC设计分会统计的2019年中国十大芯片设计厂商中排名第二。根据ASPENCORE发布的《中国IC设计行业30家上市公司综合实力排名》分析报告，韦尔半导体无论在综合实力还是增长潜力排名上都是No. 1。韦尔半导体今年上半年营收为80.43亿元，比去年同期增长41%。其研发投入为9.87亿元，占半导体设计业务销售收入比例达14.33%。该公司现已拥有专利4,397项，其中发明专利4,030项，实用新型132项；集成电路布图设计权128项；软件著作权106项。
在全球市场上，豪威集团是与索尼和三星位列同一梯队的CIS厂商。在安防、医疗、笔记本电脑、新兴应用等细分市场，豪威也是长期保持No. 1 的CMOS传感器供应商。整合后的豪威集团有什么样的技术和市场策略？其下一个目标是什么呢？在最近举行的新兴&医疗市场技术研讨会上，ASPENCORE旗下《电子工程专辑》主分析师顾正书采访了豪威集团高级副总裁王崧先生和上海研发副总裁许榴先生，就豪威集团新的品牌和市场战略及技术和产品发展规划进行了深入探讨。
据集团高级副总裁王崧介绍，豪威集团将围绕“产品、供应链、客户”这三大战略核心打造全球领先的半导体设计公司。集团将以豪威科技（OmniVision）、韦尔半导体（Will Semiconductor）和思比科（Superpix）三大品牌，依托遍布亚洲、美洲和欧洲的研发中心及业务网络，为消费电子、汽车、工业控制、安防和医疗等行业客户提供完整的成像、显示及模拟集成电路解决方案。

1. 核心技术及产品

● Pure Cel/Pure Cel Plus技术经过多年的自主研发和技术演进，豪威集团在CMOS图像传感器的电路设计、封装、数字图像处理和配套软件领域积累了雄厚的技术实力。作为CMOS图像传感器行业内最先将背照式（BSI）技术量产化的供应商之一，豪威于2013年又将Pure Cel和Pure Cel Plus技术付诸量产产品。针对手机市场对高像素、景深控制、光学变焦、生物特征识别等应用场景的需求，豪威的Pure Cel和RGB-Ir等核心技术为手机提供了高质量的静态图像采集和视频性能，即便在低光照的情况下也能保证较高的图像捕捉性能。搭载其高动态范围图像（HDR）技术的图像传感器能够有效的去除伪影，可实现极高对比度的场景还原。
今年上半年，豪威推出一款0.7um小像素，分辨率高达6,400万的图像传感器--OV64B。这款CIS可支持最高1,600万像素视频模式下的3重曝光交错式HDR，集成了四合一彩色滤光片阵列和片上硬件像素重组算法，能够提供6,400万像素优质实时拜耳输出，使高端主流智能手机设计师能设计出更为纤薄，并搭载6,400万像素高分辨率摄像头的手机。小米在十周年发布会上推出的小米10至尊纪念版搭载超动态微光主摄像头，采用的图像传感器就是豪威的OV48C。该图像传感器的光学规格为1/1.32英寸，感光性能出众，基于豪威PureCel Plus晶片堆叠技术，可以为智能手机提供高质量的静态图像采集和视频性能。此外，它支持DCG HDR功能，可同时提供4800万像素分辨率、1.2微米像素尺寸。
● 夜莺（Nyxel）技术豪威在LED闪烁抑制技术、全局曝光技术、Nyxel近红外和超低光技术等方面也不断更新，驱动着汽车市场的高端宽动态范围图像传感器、监控市场的近红外和低光传感器，以及AR/VR等新兴市场的全局快门传感器等产品的迭代升级。
据上海研发副总裁许榴介绍，对夜莺（Nyxel）技术的升级使得图像传感器能够在低光甚至无光的情况下运行，940nm波长的近红外成像量子效率达50%。基于Nyxel技术，豪威发布了面向汽车领域的首款图像传感器OX03A2S。这款250万像素的ASIL-B等级传感器能够在弱光环境下检测和识别其他图像传感器无法捕捉的物体，从而提高安全系统的性能。

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● CameraCubeChip技术豪威研发的Camera Cube Chip技术将晶圆级光学器件与CMOS图形传感器创新性的结合起来，不但具有图像传感、处理和单芯片输出的全部功能，而且在充分保障低光敏感度的同时还提供了适用于医疗市场的超小型传感器，在内窥镜应用中表现突出。基于CameraCubeChip技术，豪威于2019年10月在国际医疗设计展上发布图像传感器OV6948（尺寸小至0.575mm x 0.575mm，夺得世界吉尼斯商用最小图像传感器冠军），以及基于这颗超小成像芯片的晶圆级封装相机模组OVM6948。
这种业界最小的相机模组封装使用半导体工艺制造镜头，可过回流焊，无需底座或人工插接模组整机零件封装。利用高效经济的晶圆级封装技术，OVM6948使得一次性医用图像设备批量量产成为可能。这种具有200x200或者40k 像素的完整模组可以集成到直径约1.0mm的导管或者内窥镜内，可以从身体狭窄的血管内部拍摄神经、眼科、耳鼻喉科、心脏、脊柱、泌尿外科、妇科和关节等手术所需的高质量图像。据Yole预计，一次性内窥镜的出货量在未来五年将以35.9%的年复合增长率增长。在美国食品和药物管理局 (FDA) 的建议下，所有主要的内窥镜制造商都在开发低成本、小直径、高成像质量的一次性内窥镜。随着中国对医疗设备的放开，基于CameraCubeChip技术的一次性内窥镜设备将迎来快速增长的市场发展机遇。

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● LCOS技术
豪威的单芯片LCOS面板上集成了驱动器和帧缓冲器，具有高分辨率，高帧速率和多达6个色域，可提供清晰稳定的图像，并无图像保留。配合具有先进图像处理和主机附加功能的同伴芯片，LCOS芯片可提供720p的高清视频，为微型投影系统提供了一个高解析度、外形紧凑、低功耗和低成本的微型显示器解决方案，适用于可穿戴电子设备、AR/VR、移动显示器、微型投影、汽车和医疗机械等领域。

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LCOS的核心元素是光学引擎。（图片来源：豪威集团）

● 动态视觉和TDDI技术在动态视觉传感器（Event-based Vision Sensor）领域，豪威自研的事件激发型产品，具有如下优点：不受曝光时间和帧率的限制，可全时全速追踪运动物体，实现微秒级高速采样；有效过滤冗余背景信息，大大减少数据量；动态范围超过120dB，适应大范围光照变化；实时输出动态场景的光流信息，实现感知端预处理，减轻后端算法的复杂度；实现低延迟低功耗实时处理，降低机器视觉系统成本。除了持续研发更高性能的动态视觉传感器芯片外，豪威还与下游客户携手开发基于该芯片的应用，包括智能手机、家电、安防、AR/VR（手势识别、人体追踪）、机器人/无人机（实时建图与定位），以及高级辅助驾驶（障碍物检测、车内监控）等。
此外，豪威的触控和显示驱动集成（TDDI）适用于智能手机LCD显示屏领域，所开发的Dual Gate技术可帮助低端智能手机显示屏减小下边框，实现和中高端手机接近的全面屏设计，从而提升智能手机产品竞争力。TDDI的优点如下：基于专利技术，提供图像色彩，对比度，清晰度等增强方案；提高触控信噪比，降低误触率和失效率；降低功耗，并通过减少外围元器件帮助客户降低综合成本。

2. 高品质“国产替代进口”

豪威集团在“国产替代进口”方面具有比同行更大的优势，主要体现在以下几个方面：首先，在CMOS图像传感器、TVS、电源管理IC、射频产品等领域的多项核心技术均已达到国际先进水平，产品性能和质量与国际厂商基本相当。豪威借助国内完善的供应链不仅能够降低物流成本，还能缩短产品交货时间，及时满足客户的产品需求；此外，终端客户群主要是国内知名手机品牌厂商、安防厂商，能够更充分地为客户提供产品定制设计服务和售后技术支持。

3. 庞大的客户群

经过多年积累，豪威目前已经进入国内主流手机品牌商和方案商的供货体系。庞大的客户数量和重点下游领域的深度布局能够有效提高公司的产品销售推广和把握市场的能力，也是令公司长期保持市场竞争优势的重要驱动力。除手机行业外，豪威的产品已经广泛分布于全球消费电子、安防监控、智能电表、工业及新能源等领域，健康完善的客户结构有助于降低行业周期性波动对公司经营的影响。

结语

除了手机、汽车和安防等传统应用领域，CMOS图像传感器也开始在医疗成像、AR/VR、可穿戴设备及智能家居等新兴市场快速增长。凭借多年的技术积累和产品打磨，豪威已经在这些新兴市场上占据领导地位，成为与索尼和三星等国际半导体巨头并驾齐驱的半导体芯片及解决方案提供商。整合豪威科技、韦尔半导体和思比科之后的豪威集团现已成为中国最大的独立上市IC设计公司。以CMOS图像传感器及相关技术和产品为轴心，豪威集团围绕“产品、供应链和客户”的核心战略积极布局中国及全球市场。在国产替代和新基建的需求驱动下，豪威集团将会迎来更大的发展空间，也必将引领中国IC设计公司迈向一个新的台阶。