CMOSイメージセンサーの理解：中国のメーカーも不在ではない

イメージセンサーは、今日最も広く使用され、重要なセンサーの1つです。主に、感光素子のアレイと補助制御回路を使用して、物体の明るさと色の信号を取得し、複雑な信号処理および画像処理技術を通じてデジタル化された画像情報を出力します。イメージセンサーの感光素子は、通常、フォトダイオードを使用して光電信号を変換します。照明を受けると、フォトダイオードは電流信号を生成し、その強度は光の強度に直接比例します。

イメージセンサーは、携帯電話のカメラモジュールのコアコンポーネントです。イメージセンサーは主にCCDイメージセンサーとCMOSイメージセンサーの2つのカテゴリに分けられます。CCDとCMOSはどちらもフォトダイオードを使用して光電変換を行い、画像をデジタル信号に変換しますが、フォトダイオードを取り囲む信号処理回路と、感光素子によって生成される電気信号の処理方法が異なります。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）技術は、新星として1990年代以降、大きな注目と研究リソースを集め、徐々にCCD（Charge-Coupled Device）に追いついてきました。現在、イメージセンサー市場で優位な地位を占めており、CMOSセンサーは大きな利点を誇り、市場シェアの90%を占めています。

(1) センサーのピクセルアレイは光電効果を受けます。

(2) 光電効果により、ピクセルアレイ内の各ピクセルユニットは、外部の色と明るさに対応する電荷信号を生成します。

(3) アナログ-デジタルコンバーターによって信号がデジタル画像信号に変換されます。

(4) デジタル信号は、同じチップに統合されたISPによって処理され、出力されます。簡単に言うと、CMOSセンサーは太陽電池のマトリックスのようなもので、各ピクセルはそのマトリックス内のセルです。各セルは、前面の色と明るさの配置に応じて充電され、各セルの電荷を数えることで、対応する明るさと色が得られ、実際のシーンを再現できます。

CMOSセンサーは、イメージセンサー機能と信号変換機能を1つのチップに集積しています。近年、CMOSイメージセンサーは急速な成長を遂げ、CCDセンサーをほぼ完全に置き換えるまでになっています。IC Insightsによると、2017年のCMOSセンサーの売上高はイメージセンサー全体の売上高の89%を占め（2007年はわずか54%でした）、出荷量もイメージセンサー全体の出荷量の81%を占めました。2017年の81%という市場シェアを考慮すると、CMOSセンサーは、その優れたコストパフォーマンスにより、絶対的な優位性を維持し続け、CCDの市場シェアをさらに圧迫していくと考えられます。

1.CMOSイメージセンサーチップは、大量生産に適した標準的なプロセス技術を利用しており、大量生産時のCCDと比較してユニットあたりのコストが大幅に低くなります。

2.CMOSセンサーは、イメージ取得ユニットと信号処理ユニットを同じ基板上に統合し、サイズを小型化しながら低消費電力と低発熱を維持しているため、モバイルデバイスや各種小型デバイスに最適です。

3.対照的に、CCDセンサーはコスト効率が悪く、サイズが大きく、かなりの熱を発生し、消費電力が高いため、現在のほとんどの電子製品には適していません。

CMOSイメージセンサー市場は、2007年の40億ドルから2022年には190億ドルに成長すると予測されています。

モバイルフォンはCMOSセンサーにとって最大の応用市場であり、自動車やセキュリティなどの新興応用分野で急速な成長を遂げています。2017年には、モバイルフォン向けCMOSセンサーの市場規模がアプリケーション市場全体の62%を占め、77億5000万ドルに達しました。モバイルフォン向けCMOSセンサーの市場収益は、2022年までに86億ドルに達すると推定されています。今後数年間で、自動車、セキュリティ監視、医療、玩具/ゲーム、産業用途がCMOSセンサーの急速な発展の主な推進力となるでしょう。

自動車分野は、CMOSセンサーにとって2番目に大きなアプリケーション市場となるでしょう。3) 医療/研究分野：以前は、医療および研究分野では主にCCDセンサーが使用されていました。しかし、技術の進歩に伴い、これらの分野では現在、より低コストで高性能なCMOSセンサーでほとんどの旧製品を置き換えることを求めています。このアプリケーション分野は34%のCAGRが見込まれており、2020年の売上高は8億6700万ドルに達すると予測されています。

CMOSセンサーのアプリケーションシナリオがますます多様化し、エンドユーザーからのパフォーマンス要求が絶えず高まる中、CMOSセンサーは急速な技術的イテレーションを経ており、主要メーカーは最先端の新しい技術を頻繁にリリースしています。画像品質（特に低照度環境下）とイメージング速度を2つの基本的な要件の例として挙げると、業界は豊富なソリューションを提案しています。

1.低照度での撮像能力は、携帯電話、カメラ、産業用途のイメージセンサーにとって非常に重要であり、特に24時間年中無休の運用が必要なセキュリティおよび自動車用イメージセンサーでは不可欠です。業界標準のソリューションは、センサーサイズと光取り込みを増加させ、それによってピクセルあたりの面積を増やすことです。これ以外に、BSI-CMOS（裏面照射型CMOSイメージセンサー）と近赤外線技術を使用する2つの方法があります。

裏面照射型および近赤外線技術の恩恵により、低照度環境下でのCMOSセンサーの撮像品質は大幅に向上しています。

2. 高速センサーは、動体物をより良く捉えることができ、マルチフレームノイズリダクション、スローモーションビデオ録画、画像歪みの低減といった機能を提供します。これは、携帯電話の写真撮影、交通監視、自動運転において重要です。カメラと被写体の間に高速な相対変位がある場合（ゴルフのスイングや走行中の車両から電柱を撮影するなど）、画像の一部で線が歪む、画像の端がぼやける、露出が不正確になるなどの問題が発生します。これはローリングシャッター効果として知られています。ローリングシャッター効果の根本原因は、イメージセンサーがすべてのピクセルを迅速にキャプチャできないことにあります。そのため、高速センサーが登場しました。

ローリングシャッター効果に対処するため、現在、業界では2つのソリューションが提供されています。1つは、携帯電話などのコンシューマーエレクトロニクス向けに設計された、DRAMを搭載した3層積層型イメージセンサーです。このセンサーは、統合されたDRAMに直接データを保存することで、高速撮影と画像キャプチャを実現します。もう1つは、産業用途向けに設計されたグローバルシャッターセンサーです。ラインごとに露光する従来のローリングシャッターセンサーと比較して、グローバルシャッターはセンサー全体を同時に露光することで、動体被写体の歪みのない画像を捉えることができ、マシンビジョンやセキュリティ分野において非常に重要です。

高速撮像能力を実現するために、CMOSセンサーは2つの主要な技術的経路を開発しました。

画質や速度の要件に加え、医療分野では小型化（OmniVisionの医療用内視鏡CMOSセンサーはわずか0.5mm角）、自動車分野では高い信頼性と高感度、そしてモノのインターネット（IoT）分野での広範な応用には低コストが求められています。技術の進歩と進化するニーズの両方に牽引され、CMOSセンサーは急速に進化しています。

ソニー、サムスン、オムニビジョンがリード、国内メーカーはミドル・ローエンド市場に注力

CMOSセンサーは、大規模な大量生産が可能な典型的な半導体産業に属しており、規模の経済性が大きく働きます。しかし、成果を出すためには多額の初期投資が必要となるため、強者がさらに強くなるという状況が生じています。現在、CMOSセンサーメーカーは数十社存在しますが、YOLEの統計によると、2016年にはソニー、サムスン、オムニビジョンという上位3社が市場シェアの72%を占めており、市場の集中度が高いことを示しています。

2016年のCMOSセンサー市場は寡占化が進み、3社で市場シェアの72%を占めた。

ソニーはCMOSセンサー市場でトップの座を不動のものとしており、サムスンとオムニビジョンがそれに続いている。YOLEの統計によると、業界リーダーであるソニーは2016年に42%の市場シェアを占め、製品は様々な民生用電子機器や産業用途をカバーしており、ハイエンド市場に注力し、最も強力な技術力を持っている。次に、サムスンは主に民生用電子機器市場をターゲットとしており、自社生産・自社販売モデルを大きく展開している。技術的にはソニーに近く、すでにソニーと同レベルのCMOS製品を提供できる。しかし、サムスンのCMOSセンサーは産業分野での応用が比較的少ない。第三に、オムニビジョン・テクノロジーズは産業用途、特に車載用CMOSにおいて深い経験を持っており、その市場シェアはソニーを上回っている。

3つの主要なCMOSセンサーメーカーの中で、Sonyは規模において大きな優位性を持っています。

主要な製品や一般消費者向け製品の多くは、これら3社のCMOSセンサーソリューションを採用しています。最近人気のスマートフォンでも、ソニー、サムスン、オムニビジョンのCMOSセンサーが使用されていることが確認できます。これら3社は、民生用電子機器分野のCMOSセンサー市場で大きなシェアを占めています。自動車やセキュリティなどの産業用途では、オン・セミコンダクター、オムニビジョン、ソニーの製品が一般的に好まれており、サムスンのCMOSセンサーは通常、自社製品にのみ搭載されています。

人気の携帯電話は、主にSony、Samsung、OmniVisionのCMOSセンサーを使用しています。

これらの主要市場を支配する3つの巨大企業に加えて、ハイエンド市場とローエンド市場に位置する2つの企業があります。しかし、市場規模と下流の顧客基盤という点では、主要市場には及びません。最後の2つのセクションでは、まずソニー、サムスン、およびいくつかの国内メーカーのCMOSセンサーを紹介します。第3章ではOmniVisionに焦点を当てます。

3つの主要CMOSセンサーメーカーは、出荷量とASPにおいて著しく異なります。

I. ソニー：技術的にリードし、トップの座をしっかりと維持

ソニーの半導体事業に属するCMOSセンサー事業は、ソニーの最も収益性の高い柱の一つとなっています。CMOSイメージセンサーが広く普及する以前から、ソニーのCCDイメージセンサーは、感度と信号対雑音比に優れていたため、監視、交通、その他の分野で広く使用されていました。CMOSイメージセンサーが徐々に主流となるにつれて、ソニーはCCD時代に培われた強力な技術力を頼りに市場をリードし続けています。2016年には、CMOSセンサーの売上高が48億5800万ドルに達し、半導体事業全体の収益の70%を占めました。2017年度（2017年4月1日から2018年3月31日まで）には、ソニーの半導体事業は、堅調なCMOS販売に牽引され、売上高8500億円（約77億9000万ドル）を達成し、前年比10%増となりました。営業利益は1640億円（約15億ドル）と過去最高を記録しました。

長年の開発を経て、ソニーは技術面で業界のリーダーとなり、優れた製品性能、絶え間ない新技術の導入、そして急速なイテレーションを誇り、競合他社が短期間でそのリーダーシップに挑戦することは困難になっています。家電分野において、ソニーの最も代表的な技術は積層型センサー技術です。積層型センサーは導入後すぐにモバイルデバイスメーカーに採用され、ソニーはさらにDRAMを搭載した3層積層型センサーを開発しました。

ソニーは積層センサー技術を開拓しました。

産業用途において、ソニーはSTARVISとPregiusという2つの主要な技術を持っています。STARVISは主にセキュリティ分野で使用されており、裏面照射型CMOSセンサーの感度をさらに向上させた技術です。可視光感度を高めるだけでなく、監視カメラで頻繁に使用される近赤外線などの広帯域の光の利用効率も向上させています。Pregiusは、ソニーのグローバルシャッター技術の名称であり、各ピクセルの下にストレージユニットを追加することで機能します。露光中、すべてのピクセルが同時に露光され、情報は対応するストレージユニットに保存され、ローリングシャッター効果を回避します。この技術は主に産業用マシンビジョンで使用されています。

ソニーのSTARVIS技術はCMOS感度をさらに向上させます。

製品面では、ソニーは業界で最も包括的なCMOS製品ラインを確立しており、様々な分野をカバーし、ミッドレンジからハイエンドセグメントで強力な市場シェアを維持しています。家電分野では、ソニーのCMOSセンサーは主要メーカーにとって最も一般的な選択肢となり、携帯電話やカメラのいずれにおいても、ハイエンド製品の標準的な機能となっています。例えば、2017年後半に発売されたIMX400シリーズCMOSは、発売後すぐに主要メーカーに求められました。今年初めにその優れた写真性能で注目を集めたHuawei P20 Proも、ソニーの最新IMX600センサーを使用しています。ほとんどの業界セクター、特にセキュリティや産業用ビジョンなどのニッチな分野でも、ソニーはリーダーです。一部のハイエンド分野でのみ、Teledyne Dalsa、ON Semiconductor、e2vといった確立された産業用イメージセンサーサプライヤーに遅れをとっています。

II. サムスン：グループリソースを活用してコンシューマー分野で台頭

サムスンのコンシューマー向けCMOSセンサーは、ソニーに追随し、技術的な差を徐々に縮めてきました。現在では、ソニーが新しいモバイルフォン向けCMOSセンサーをリリースすると、サムスンも同様の性能を持つ製品を迅速に投入できるようになっています。例えば、ソニーが3層積層型CMOSセンサーIMX400をリリースした直後に、サムスンは競合製品であるS5K2L3を発売し、フラッグシップのSシリーズやNoteシリーズのフォンに採用して優れた性能を発揮しました。近年、サムスンはフラッグシップフォンのメインカメラCMOSセンサーにおいて、ソニーのIMXシリーズとサムスンのISOCELLセンサーの両方を、フォンの地域やバージョンによって使い分ける混合供給原則を採用しています。

2013年、サムスンはISOCELL技術を導入し、CMOSセンサーの性能を大幅に向上させました。実際、Galaxy S5以前のサムスン製センサーは、主に1000元前後のエントリーレベルのスマートフォンに搭載されていました。その後、サムスンはISOCELL技術をGalaxy S5に搭載し、その性能は市場で認められるようになりました。ソニー製CMOSセンサーの供給不足と重なり、すでに高い評価を得ていたサムスン製CMOSセンサーはさらに注目を集め、ファーウェイ、Meizu、Xiaomi、OPPOなどの国内メーカーも一部のモデルで採用を試みるようになりました。これにより、サムスン製CMOSセンサーはミドルレンジからハイエンド市場への道が開かれました。

SamsungのISOCELL技術は、ピクセル間のクロストークを低減します。

しかし、産業用途においては、サムスンは競合他社に遅れをとっています。車載CMOS分野では、サムスンの市場シェアはほぼゼロです。セキュリティなどの他の産業用途では、サムスンのCMOSセンサーは基本的に自社生産・自社販売です。しかし、サムスンのCMOS事業はサムスングループ全体に支えられており、様々な製品ラインにわたる応用ポテンシャルは大きいです。サムスングループの強力な財政力と支援により、サムスンのCMOSセンサー事業は将来的に競争力をさらに高めていくことが期待されます。

国内CMOSメーカー：

主にローエンドからミッドレンジ市場をターゲットとし、独立した技術を積極的に開発

一般的に、国内CMOSセンサーメーカーは、規模と技術の面で依然として海外メーカーに遅れをとっており、その製品は主にローエンドからミッドレンジの民生用電子機器分野で使用されています。しかし、SuperpixやGalaxycoreのような一部の国内大手CMOSセンサーメーカーは、独自のコア技術に依存して、徐々に市場シェアを拡大し、ミッドレンジからハイエンド市場に浸透しています。

I. Superpix

2004年に設立されたSuperpix Microelectronics Technology Co., Ltd.は、CMOSイメージセンサーの研究開発および販売を専門とするファブレスメーカーです。「SuperPix」信号処理技術と「SuperImage」技術という独自のコア技術に基づき、同社は数多くの国内をリードするCMOSイメージプロセッサーを開発してきました。同社は低画素CMOS製品に注力しており、主な製品は30万画素、130万画素、200万画素、500万画素をカバーしています。これらの製品は比較的安価で、低・中価格帯市場で高い評価を得ており、携帯電話カメラ、タブレットカメラ、コンピューターカメラなどに幅広く使用されています。

低・中価格帯市場で足場を固めたSmartisanは、現在、中・高価格帯市場への拡大を目指しています。2015年以降、同社は8メガピクセルおよび12メガピクセルのチップ製品を開発し、市場に投入して成功を収め、良好な反応を得ました。同社のCMOS製品は、360 N7電話などの一部の人気のある携帯電話のサプライチェーンにも参入しています。Smartisanの主な製品

上記の応用分野に加えて、Smartisanは、指紋認証、虹彩認証、医療画像処理、測量用の高付加価値特殊センサーチップの研究開発において、いくつかの革新的な成果を上げています。

（1）パートナーとの協力により、Smartisanは高精度光学式指紋認証センサーチップと超薄型光学式指紋認証モジュールを開発しました。この技術は、より高い解像度とライブネス検出を提供し、指紋認証のセキュリティを大幅に向上させます。

（2）虹彩認証イメージセンサーチップは、パートナーによって虹彩認証携帯電話、虹彩認証タブレット、スマートドアロックなどの新製品に使用されています。

（3）医療用内視鏡CMOSイメージセンサーチップは、心血管系低侵襲手術や胃カメラなどの医療機器に使用されています。

（4）観測機器用CMOSイメージセンサーチップは、国産の観測機器に使用されています。

（5）マシンビジョンチップは、読み取りペン、ドローンのホバリング位置決め、産業用測距などの分野で使用されています。

同社は2015年に全国株式取引所（NEEQ）に上場し、Will Semiconductorの進行中の資産再編の対象企業の一つです。同社の2016年と2017年の営業収益はそれぞれ4億6100万元、4億6200万元で、純利益はそれぞれ292万元、-1488万元でした。利益減少の主な理由は、携帯電話市場の減速により、中低価格帯CMOS製品の需要が弱まったことです。中低価格帯市場での激しい競争により、製品価格と粗利益率が低下し、利益に影響を与えました。

Spicoreの最近の業績と売上総利益

2003年に設立されたGalaxyCoreは、主にCMOSイメージセンサー、LCDドライバーチップ、ハイエンド組み込みマルチメディアSOCチップ、およびアプリケーションシステムの設計、開発、販売に従事しています。当初、GalaxyCoreはコンピューターカメラ用のCMOSセンサーから始まり、2007年に携帯電話市場に参入しました。中国の携帯電話市場の急速な成長を活用し、ミッドレンジからローエンド市場を迅速に開拓しました。

2014年、GalaxyCoreは9億4000万個以上のCMOSイメージセンサーチップと1億個以上のLCDドライバーチップを出荷し、総売上高は3億5000万米ドルを超えました。CMOSイメージセンサーチップの出荷では中国で第1位、世界で第2位となりました。しかし、その後Galaxycoreのハイエンド市場への進出は頓挫し、ミッドレンジからローエンド市場ではSmartsensのような企業との激しい競争に直面しました。

Galaxycoreの主要な技術的ブレークスルー

その他の主要な国内CMOSメーカーには、BYDマイクロエレクトロニクス、長光辰芯、睿芯マイクロエレクトロニクスが含まれます。

設立されたメーカーであるOmniVisionは、離陸の準備ができています

国内資本によって買収されたOmniVisionも、センサー分野における重要なプレーヤーです。そのユニークな位置づけから、ここでは別途議論します。

OmniVision（OV）は1995年に米国カリフォルニア州で設立され、デジタル画像処理ソリューションの大手プロバイダーです。同社のCameraChipおよびAmeraCubeChipシリーズのCMOSイメージセンサーチップは、コンシューマーおよび産業用途で広く使用されています。OmniVisionは2000年にNASDAQに上場しました。2016年には中国のコンソーシアムがOmniVisionの非公開化を完了し、A株市場への上場を計画していました。2018年5月、Will SemiconductorはOmniVisionの買収再開を発表しました。

オムニビジョンはCMOSセンサー市場で約12%の市場シェアを誇り、2位以下の競合を大きく引き離している。オムニビジョンのCMOSセンサー売上高は、2015年と2016年にそれぞれ12.5億ドルと14.4億ドルに達し（YOLE統計による）、市場シェアは12.2%と12.4%となった。この規模はソニーとサムスンに次ぐ第2位であり、4位のオン・セミコンダクターの2倍である。

当社の下流アプリケーションは、主にスマートフォン、車載カメラ、医療用カメラ、監視機器、ドローン、VR/ARカメラなどです。BDOがまとめたCCD/CMOSイメージセンサー市場分析レポートによると、OmniVisionはセキュリティ分野で56%、自動車分野で29%の市場シェアを占めています。さらに、OmniVisionは医療画像、モノのインターネット（IoT）、特殊アプリケーションなどの多くの新興分野でも急速な成長を示しています。

CMOS分野における長年の実績を持つメーカーとして、OmniVisionは業界をリードする技術力を有しています。2018年5月末現在、OmniVisionは4,060件の特許を保有しており、2017年の研究開発投資は10億人民元を超え、営業収益の10%以上を占めています。また、世界各地に支社や研究開発センターを設立しており、Sonyのような企業と競合できる実力を持っています。

CMOSセンサーはOmniVisionの主な収益源であり、3年連続で中核事業の94%以上を占め、粗利益率は着実に増加しており、2016年の16.54%から2018年の最初の5ヶ月で24.83%に上昇しました。主にCMOSセンサーをサポートするために使用されるASICチップは、粗利益率が高く、明確な上昇傾向を示しています。対照的に、液晶シリコン（LCOS）プロジェクションディスプレイチップの粗利益率は、主に製品構造の調整と新製品がまだ統合段階にあるため、大幅に減少しています。カメラキューブチップの粗利益率はマイナスであり、主に高い設備減価償却費が原因です。これら2つの製品カテゴリは、同社の事業の非常に小さな割合を占めており、同社の収益性に大きな影響を与えることはありません。

2011年以前、OmniVisionはCMOSセンサー市場のリーダーでしたが、その後激しい競争に直面しました。Sonyの市場シェアは2010年には約7%に過ぎませんでしたが、2011年にOmniVisionがAppleのiPhoneの注文を失い、その後多くのハイエンドフラッグシップフォンがSonyに移行したことにより、Sonyのセンサーは2011年以降急速な成長を遂げ、市場シェアは継続的に増加し、2014年からは供給不足さえ引き起こしました。Samsungはこの機会をうまく捉え、比較的タイトな13メガピクセルセンサー市場に参入し、多くの携帯電話ブランドに広く採用され、OmniVisionを抜いて2番目に大きなプレイヤーとなりました。ローエンド市場では、OmniVisionは中国および韓国のメーカーからも競争に直面しました。幸いなことに、OmniVisionは優れた技術のおかげで市場シェアを維持し、市場のセカンドティアプレイヤーとの差を徐々に広げました。

最近、中国のウィルセミコンダクターがオムニビジョンに対する買収を再び試みています。ソニーやサムスンとは異なり、オムニビジョンは自社でファウンドリを持たず、背後に巨大な事業帝国もありません。そのため、オムニビジョンはファウンドリからの生産能力不足や技術漏洩といった問題にしばしば直面してきました。ウィルセミコンダクターとオムニビジョンが手を組めば、中国の資本市場との深い連携を活用し、技術革新、パートナーシップの構築、資金調達にさらに注力できるようになると期待されています。これにより、安定したファウンドリのパッケージング・テストシステムを構築し、多数の国内顧客と繋がり、CMOSセンサー分野における巨大な発展機会を掴み、新たな発展時代を迎えることができるでしょう。