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群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场

发布时间:2019-09-20 来源: 责任编辑:wenwei

【导读】CMOS图像传感器(CIS)增长迅速,CMOS凭借低成本、设计简单、尺寸小、功耗低、高集成度等优势,目前在民用消费电子市场迅速取代了CCD(电荷耦合器件),市场份额已超过99%。
 
目前,手机是CMOS图像传感器最大的终端用户市场,未来几年汽车将成为增速最大的下游应用领域。随着下游终端需求领域的快速扩散,行业将迎来新一轮成长高峰。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
 
变“光”为“数”,图像传感器精密而关键
 
图像传感器是当今应用最普遍、重要性最高的传感器之一。其主要采用感光单元阵列和辅助控制电路获取对象景物的亮度和色彩信号,并通过复杂的信号处理和图像处理技术输出数字化的图像信息。
 
图像传感器中的感光单元一般采用感光二极管(photodiode)实现光电信号的转换。感光二极管在接受光线照射之后能够产生电流信号,电流的强度与光照的强度成正比例关系。
 
图像传感器主要分为CCD图像传感器和CMOS图像传感器两大类。CCD和CMOS都是利用感光二极管进行光电转换,将图像转换为数字信号,但二者在感光二极管的周边信号处理电路和感光单元产生的电信号的处理方式不同。
 
CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,互补金属氧化物场效应管)技术作为后起之秀,从90年代开始被重视并获得大量研发资源,逐步赶超CCD(Charge-CoupledDevice,电荷耦合器件),当前已经在图像传感器市场占据绝对的主导地位。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
 
CMOS传感器优势突出,已占图像传感器市场9成份额
 
CMOS传感器实际上是一个高度集成的图像系统。当外界光线照射到CMOS传感器上的时候:
 
(1) 传感器拥有的像素阵列会发生光电效应;
 
(2) 光电效应使得像素阵列上的每个像素单元产生对应外界色彩和亮度的电荷信号;
 
(3) 信号会被模数转换电路转换成数字图像信号;
 
(4) 数字信号经过集成于同一芯片上的ISP处理后输出。简单来说,CMOS传感器就像一组太阳能电池矩阵,每个像素就是矩阵中的一个电池,每个电池按照前方的亮度和色彩排布进行充电,之后统计每个电池的电量,就能得出对应的亮度和色彩,从而还原出现实的景象。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
 
CMOS图像传感器近年来增长迅速,已接近全面替代CCD传感器。据ICInsights统计,2017年CMOS传感器销售额占整个图像传感器销售额比例为89%(这一数字在2007年仅为54%),出货量占图像传感器总出货量的81%。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
 
我们认为CMOS传感器凭借优异的性价比,将继续保持绝对的优势地位,并继续挤压CCD的市场空间。
 
(1)CMOS图像传感器芯片采用了适合大规模生产的标准流程工艺,批量生产时,单位成本远低于CCD;
 
(2)CMOS传感器将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块基板上,缩小了体积的同时还保持着低功耗和低发热,非常适合移动设备和各类小型化设备;
 
(3)相比之下,CCD传感器成本上不具有优势,且体积大,发热大,功耗高,基本无法适用于现今多数电子产品上。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
 
终端应用爆发,CMOS传感器5年CAGR10%以上
 
CMOS传感器今年销售额有望达到137亿美金,同时其出货量将继续保持10%以上年均增速。得益于车载应用、机器视觉、人脸识别与安防监控的快速发展,以及多摄像头手机广泛普及,CMOS图像传感器市场规模不断扩大。
 
根据ICInsights统计,2017年全球CMOS图像传感器销售额为125亿美元,同比增长19%;预计2018年将达到137亿美元,同比增长10%。
 
预计2017-2022年出货量CAGR达11.7%,销售额的CAGR为8.8%。至2022年,CMOS传感器的全球销售额将达到190亿美金。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
 
手机是CMOS传感器的最大应用市场,汽车、安防等新应用领域高速成长。2017年手机用CMOS传感器市场规模占整体应用市场的62%,达77.5亿美元,预估2022年手机CMOS传感器的市场营收规模将可达86亿美元。而在未来几年,汽车、安防监控、医疗、玩具/电玩与工业等将成为带动CMOS传感器高速发展的主要动力。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
 
(1)安防监控领域:安防监控离不开视觉信息的获取,必须依赖图像传感器,随着整个安防监控行业规模的不断扩大,预估到2020年该领域CMOS图像传感器的市场规模将达到9.12亿美元,占到行业市场份额的6%。
 
(2)汽车电子领域:是图像传感器增长最快的细分市场,近年来CMOS图像传感器已经安装在汽车倒车影像、防碰撞系统之内,而由于未来的新车将标配ADAS(高级驾驶辅助系统),以及自动驾驶技术的发展,汽车厂商将会为自家车辆产品导入更多摄像头来获取外界信息。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
 
而每增加一个摄像头,就需要增加一块CMOS传感器,所以车载应用将是CMOS图像传感器各主要应用市场中增速最快的方向。
 
根据YOLE的最新预测,车载图像传感器市场空间将从2016年的22亿美金增长至2022年的77亿美金,是车用传感器(包括各类雷达、压力传感器、惯性传感器等)中增长最快、占比最高的细分产品。同时,汽车市场也将成为仅次于手机的第二大CMOS传感器应用领域。
 
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(3)医疗/科研领域:以往医疗和科研领域主要使用CCD传感器,随着技术的进步,现今医疗和科研领域则在谋求使用成本更低效果更好的CMOS传感器来替代大部分老旧产品,这一应用领域预计有34%年复合增长率,2020年销售额8.67亿美元。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
 
(4)工业系统领域:随着机器视觉的发展,越来越多的工业生产线会引入图像传感器来提高生产效率和质量,预计该领域年复合增长率18%,2020年销售额8.97亿美元。
 
物联网落地催化,安防、汽车、工控等多领域对CMOS传感器需求旺盛。
 
虽然手机占到目前CMOS传感器六成的应用,其增速在明显放缓,但物联网的普及催生了大量的图像采集需求。
 
预计到2020年,全球安防监控领域CMOS传感器需求量将达到9.12亿美元,复合增长率为36%;与此同时医疗、工控领域的需求量也分别达到接近9亿美元。而最大的增量来自于车用市场,得益于ADAS系统普及和自动驾驶的发展,预计到2022年车用CMOS传感器市场规模将达到77亿美金。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
 
为满足不断丰富的应用场景,CMOS传感器正处在加速迭代的周期中,背照BSI、三层堆栈、全局快门等新技术层出不穷。在此背景下,拥有最强技术实力的索尼、三星、豪威三巨头掌握了行业的主导权,市占率合计达到70%以上,并占据了绝大部分高端市场。
 
索尼三星领跑
 
CMOS 传感器属于典型的可以进行大规模批量生产的半导体产业,规模效应明显,需要较大的前期投入才能产出结果,这也导致了这一行业强者恒强。目前 CMOS 传感器厂商有数十家,但是据 YOLE 的统计,在 2016 年行业前三的厂商索尼、三星、豪威的市场占有率之和达到了 72%,市场集中度高。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
2016 年 CMOS 传感器集中度提升,三巨头市占率之和为 72%
 
索尼稳坐 CMOS 传感器市场头把交椅,三星和豪威紧随其后。据 YOLE 统计,行业龙头索尼在 2016年占据了 42%的市场份额,产品涵盖各个消费类电子到各类行业应用领域,主攻高端市场,技术实力最强。其次是三星,主攻消费类电子市场,多是自产自销,在技术上紧追索尼,已经可以提供与索尼同级别的 CMOS 产品,但三星的 CMOS 在行业应用领域相对较少。第三位豪威科技,在行业应用上有很深的积累,尤其是在车载 CMOS 领域,市场占有率高过索尼。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
三家 CMOS 传感器龙头厂商中,索尼在规模上有显著优势
 
在下游各领域的旗舰和主流产品中,绝大部分采用了三巨头的 CMOS 传感器方案。可以看到,近期市场热门的几款手机都是采用索尼、三星与 OV 的 CMOS 传感器,这三家厂商把持着大部分消费类电子领域 CMOS 传感器的市场份额。而在汽车和安防等行业应用领域一般都是选用安森美,OV 与索尼三家的产品,三星的 CMOS 一般只见于自家的终端产品上。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
热门手机采用的 CMOS 多为索尼与三星、豪威的产品
 
除了占据主流市场的三巨头外,还有定位于特高端、 低端市场的两类玩家。但在市场规模以及下游客户群方面,都无法和主流市场相媲美。后两小节我们先介绍索尼、 三星以及国内部分厂商的 CMOS 传感器情况,关于豪威我们会在第 3 章重点介绍。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
CMOS 传感器三大梯队厂商在出货量、 ASP 上存在较大差异
 
一、索尼:技术领先,稳坐头把交椅
 
隶属于索尼半导体部门的 CMOS 传感器业务,已经成为索尼最赚钱的支柱业务之一。早在在 CMOS 图像传感器大面积应用之前,索尼的 CCD 图像传感器凭借灵敏度、信噪比等优势,在监控、交通等领域得到广泛应用。随着 CMOS 图像传感器逐渐成为主流,索尼依靠在 CCD 时代积累下来的雄厚技术实力,继续领跑。其 2016 年 CMOS 传感器销售额达 48.58 亿美元,占整个半导体部门营收的 70%。而在 2017 财年(2017 年 4 月 1 日到2018 年 3 月 31 日)财报中,半导体业务拜 CMOS 热销所赐,销售额达到了 8500 亿日元(折合约 77.9 亿美元),同比增长达 10%;营业利润高达 1640 亿日元(折合 15 亿美元),创历史新高。
 
经过多年发展,索尼在技术上已然领跑业界,产品性能优异,新技术层出不穷,迭代迅速,其他对手短时间内难以撼动其领先地位。在消费类电子领域,索尼最具代表性的技术是堆栈式传感器技术。堆栈式传感器一经推出就受到了移动设备厂商的追捧,索尼也在此基础上进一步研发了带 DRAM 的三层堆栈式传感器。
 
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索尼率先开发出了堆栈式传感器技术
 
在行业应用上,索尼有 STARVIS 和 Pregius 两个主打技术。其中 STARVIS 主要用于安防领域,是将背照式 CMOS 的感光度进一步进行增强的技术,不仅增强了可见光的感光度,还提高了监控摄像机利用频度较高的近红外光等宽广波长范围的光的利用效率。而Pregius 是索尼对自家全域快门技术(Global shutter)的称呼,其原理是在像素下部增加存储单元,在曝光时所有像素同时曝光并将信息保存到对应的存储单元之中,以避免果冻效应。该技术主要用于工业机器视觉领域。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
索尼的 STARVIS 技术让 CMOS 感光度进一步增强
 
在产品上,索尼已经建立了业界最完善的 CMOS 产品线,涵盖各个领域,把持住中高端领域的市场份额。在消费类电子领域,无论手机还是相机,索尼 CMOS 已经成了各大厂商最常见的选择和高端产品的标配,例如 2017 年下半年发布的 IMX400 系列 CMOS,一经推出就受到了各大厂商的追捧,今年年初因拍照能力出众而大放异彩的华为 P20 PRO,也采用了索尼最新的 IMX600 传感器。而在多数行业领域,尤其是在安防和工业视觉这类细分领域上,索尼也属于领导者,只有在部分高端领域仍不及 Teledyne Dalsa、安森美和e2v 这些老牌工业级图像传感器供应商。
 
二、三星:背靠集团资源,在消费领域异军突起
 
三星的消费类 CMOS 传感器一直紧追索尼不放,并逐步缩小技术上的差距。如今,索尼面向手机的新 CMOS 一推出,三星就能紧随其后发布性能表现类似的产品,例如索尼发布三层堆栈 CMOS 传感器 IMX400 后不久,三星就推出了对标的产品 S5K2L3,并混用在自家的 S 和 Note 系列旗舰产品上,性能表现优异。近几年来三星对自家旗舰机主摄像头CMOS 都采用混合供货的原则,不同地区不同版本手机分别采用索尼 IMX 系列和三星ISOCELL 传感器。
 
2013 年,三星推出了 ISOCELL 技术,使得其 CMOS 传感器性能有了质的提升。事实上,在 Galaxy S5 之前,三星传感器基本上只会出现在入门级别千元机;其后三星在Galaxy S5 搭载了使用 ISOCELL 技术的 CMOS,其表现得到了市场认可,又恰逢索尼的CMOS 出现缺货潮,已有知名度的三星 CMOS 传感器借此推广,国内的华为、魅族、小米、OPPO 等厂商部分机型也开始尝试使用。从此三星 CMOS 打开了通往中高端市场的大门。
 
群雄争夺百亿CMOS图像传感器市场
三星 ISOCELL 技术使得像素之间串扰现象减少
 
而在行业应用领域,三星相比竞争对手较为落后。在车载 CMOS 领域,三星的份额几乎为 0,在安防领域等其余行业应用领域,三星的 CMOS 基本处于自产自销的状态。但是三星 CMOS 业务背靠的是整个三星集团,在各个产品条线上应用潜力很大。凭借三星集团雄厚的财力和资源扶持,未来三星的 CMOS 传感器业务有望积累更强的竞争力。在国外厂商方面,还有SK海力士和安森美这样的玩家,他们同样在这个市场奋勇争先。
 
奋进的国内厂商
 
至于国内的 CMOS 传感器厂商方面,韦尔股份最近收购的豪威科技绝对是国内的佼佼者。
 
豪威科技(Omnivision,简称 OV)于 1995 年于美国加利福尼亚成立,是一家领先的数字图像处理方案提供商。其 CameraChip 和 AmeraCubeChip 系列 CMOS 图像传感芯片广泛应用于消费级和工业级应用。 美国豪威于 2000 年在纳斯达克上市,中国财团于2016 年完成对美国豪威的私有化交易,并计划登陆 A 股。 2018 年 5 月,韦尔股份披露公告,重启了对豪威的收购。
 
豪威在 CMOS 传感器市场占有率约 12%,与第二梯队拉开了差距。 豪威 2015、 2016年 CMOS 传感器销售额分别达到 12.5 亿美元、 14.4 亿美元(据 YOLE 统计数据),市占率分别为 12.2%和 12.4%。这一规模仅次于索尼和三星,是排名第四位的安森美的 2 倍。
 
公司下游应用领域主要涉及智能手机、车载摄像头、医疗摄像头、监控设备、无人机、VR/AR 摄像头等方面。 根据 BDO 编写的 CCD/CMOS 图像传感器市场分析析报告,豪威在安防领域的市占率达 56%,在汽车领域的市占率有 29%。除此之外,豪威在医疗影像市场、物联网市场和特种应用市场等诸多新兴领域也表现出快速发展的态势。
 
豪威作为 CMOS 领域深耕已久的厂商,具备业内领先的技术实力。 截至 2018 年 5 月底,豪威拥有 4060 项专利技术;2017 年研发投入超过 10 亿元,占营业收入 10%以上;在全球多地设立了分支机构和研发中心,具有和索尼等一较高下的实力。
 
在规模和技术上与国外厂商还存在一定的差距,产品主要用于中低端消费类电子领域。但是,一些国内领先的 CMOS传感器厂商如思比科、格科微等,依托自主核心技术,正逐步扩大份额、 向中高端市场渗透。
 
在 2011 年之前,豪威是 CMOS 传感器市场的老大,但此后遭遇竞争对手夹击。 索尼在 2010 年的市场份额还仅为 7%左右,但由于豪威在 2011 年丢掉苹果手机订单,同时大量高端旗舰手机转投索尼的怀抱,从 2011 年后索尼传感器就一路高歌猛进,市场份额不断提升,甚至在 2014 年开始出现了供不应求的情况。三星成功利用这一机遇打进了供求关系相对紧张的 1300 万像素传感器市场,得以被大量手机品牌厂商采用,一举超过了豪威成为了市场第二。在低端市场,豪威也面临中韩厂商的冲击。好在豪威依然凭借出色的技术维持住了市场份额。
 
除了豪威外,国内还有格科微、思比科、比亚迪、思特威等从事CMOS图像传感器企业,他们正在卯足劲抢进这个百亿大市场。
 
 
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