超大底还是高像素？细数手机影像的“等级制度”

龙飞

手机厂商是从什么时候开始“卷”拍照功能的？

这个问题的答案，如今可能已经无法准确的考证了。但回溯历史不难发现，手机上的拍照功能在最基础的设计思路上，可以说是很明确的经历了几个不同阶段。

比如在最早的时候，各厂商比拼的都是像素数量，从200万像素到320万像素，再到500万、800万、1200万、1300万，1600万，乃至后来的2000万、4000万、4800万和6400万。在差不多长达7、8年的时间里，整个行业以惊人的速度实现了手机影像CMOS的“高像素化”，但也因此吹了不少牛、闹了不少笑话。
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紧接着“变焦倍率”开始成为各家的焦点，从30倍到50倍，从60倍到100倍，再到120倍、200倍……甚至当时一些诸如“变焦手机拍摄到xx不法分子”的消息在吸引眼球的同时，也变相帮相关厂商打了广告。然而很快实际掏了钱的消费者就发现，手机的极限望远基本没啥实用价值，于是大家也都不再吹这个牛了。

之后“多摄”成为了市场竞争的主要方向，于是从双摄到三摄、从四摄到五摄，再到双主摄、三主摄。好在机身的内部空间就那么大，于是盲目堆摄像头数量的风气很快就刹车了，只留下了消费者对于“凑数摄像头”的深恶痛绝。

然而正因为有了前面这几个阶段的“铺垫”，导致如今在整个手机行业中，拍照设计的基本思路也变得异常复杂。许多消费者也很难再通过表面上的参数，去对比和识别手机的CMOS配置好不好、技术规格到底有多高。

3 k; S0 q/ T4 W8 Z好在，这里面其实也并不是毫无规律可循。在分析了当前市场里的大量产品和已知的技术信息后，我们还是将手机拍照设计的思路按照它们的“内部级别”以及在不同档位产品上的分布情况，分出了“三六九等”。
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& G3 u! r4 L/ P; _2 H6 h% v' V“人上人”的设计：架构进化胜于一切

2 _0 L& X  S! {在半导体领域，架构的进化压倒单纯的“堆料”可以说是一个最基本的常识。它既适用于CPU、显卡，也同样适用于手机里的CMOS影像传感器。
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8 ^  ]: o. V# ~比如一个典型的例子就是三星的HP2，以及其后继型号HP25X，这两款CMOS在行业首创了“双垂直传输门（D-VTG）”结构。

众所周知，CMOS的基本工作原理是靠光电二极管（PD）将光子转换为电子，然后传输门就负责释放光电二极管里的电子，并将电信号传输给浮动扩散层（FD），而FD里积累的电子就会被最终识别为代表像素点图像信息的电势差。
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1 g- u! p, O6 N% [" m. i2 R- o9 k如此一来，当三星将CMOS里每一个像素的传输门从一个增加到两个后，就带来了两重好处。其一，它使得光电二极管“放电”的速度更快、放电更彻底，这就变相增加了每个像素（光电二极管）的电子容量，也就是俗称的满阱容。其次，它还意味着CMOS中每个像素每次感光生成的信号电势差更明显、信噪比更高。

有多高呢？在IEEE的一份论文中显示，当HP2工作在2亿像素模式下的时候，它的单像素满阱容为10000个电子，如果是“四合一”之后的5000万像素模式，满阱容将高达40000个电子。要知道索尼引以为傲的全画幅相机A7R4的CMOS，满阱容也才36000个电子。也就是说在光线充足的前提下，三星这款旗舰级、仅有1/1.3英寸的手机CMOS，甚至用不到“16合1”像素模式，信噪比就已经超越了全画幅单电，因此对比普通的1英寸CMOS自然也是碾压。
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当然，搞架构创新的不只是三星，也有索尼。只不过索尼走了另外一条没那么微观的创新道路，也就是所谓的“双层晶体管传感器”IMX888。
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- A! y, L+ I/ E5 c0 l7 l那么什么叫做双层晶体管传感器呢？首先，大家还记得前文中在讲到三星CMOS时，提到的传输门（TG）吗。没错，在传统的单层CMOS上，包括传输门、行选择器、源跟随器等一系列不负责感光的信号传输和处理元件，与负责感光的光电二极管其实是“平铺”在一起布置的。

很显然，这就造成了这些非感光元器件，实际上会挤占光电二极管真正的有效面积。也就是说在传统CMOS上，所谓的“传感器面积”里其实有一部分是并不感光的，它的真正感光元件尺寸也会比直接计算出的“像素尺寸”要实际略小一点点。
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而索尼的双层晶体管传感器，就是将这些不感光的信号读出元器件用第二块晶圆去制作，然后堆叠在感光元器件的下方。这样一来，真正感光的那一面就可以做到几乎“不掺假”的感光面积，二极管的尺寸可以被放大，同时CMOS面积还能够不增加（甚至是做得更小）。
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根据索尼公布的相关信息显示，在使用双层晶体管结构后，同样是“标称”1微米像素的CMOS，双层晶体管的型号满阱容可达12000个电子，比老式的设计直接翻倍。当然反过来说也就意味着，在以前的单层晶体管索尼CMOS上，“看似”1微米的像素，实际上可能只有一半的面积是真正用来感光的。

底层设计不进步？就只能靠堆料了
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不知道大家看懂前面这段对于新架构CMOS的介绍没？如果没看懂，就么说明你可能是第二个等级的产品、也就是那些纯靠“堆料”来解决问题的CMOS的潜在用户。
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其实这并不奇怪，因为对于第一等使用架构创新来提升画质的手机CMOS来说，它们的创新发生在单个晶体管层面，这直接导致这些传感器反而不需要做得很大、甚至可能都不需要很高的像素。但这样一来，对于不太懂最“底层”技术的消费者来说，这类“人上人”的解决方案反而不利于市场宣传。
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: _+ C6 ~" @; q所以会看到无论三星、还是索尼，他们现在在高端市场都是“两手准备”。其中架构更创新、但尺寸看起来没那么大的CMOS，会留给自己使用；而架构相对老，但“底”更大、看起来更唬人的CMOS，则作为名义上更高端的型号，对外卖给了第三方厂商。

/ n) n+ f5 \4 c) D8 n这里最典型的例子，当然就是现在各种1英寸、1/1.12英寸的超大底方案了。实际上看懂了前面相关分析的朋友应该明白，这些手机上的“1英寸”由于真实感光元件尺寸、电子传输效率受限，其（电子层面上的）信噪比根本不可能与真正旗舰相机里的CMOS相提并论，距离真正架构创新的“底似乎更小”的CMOS更是差距巨大。

但也不能否认的是，不管1英寸也好、还是1/1.12英寸也罢，它们的感光能力、画质、宽容度，肯定还是可以“吊打”那些更主流的1/1.56英寸、1/1.7英寸的中小底CMOS。所以堆料有没有用？当然有，只不过是要看与谁对比罢了。
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而且新架构、新技术的CMOS因为尺寸反而更小，所以它们的相机模组外观往往更“平”、更低调，看起来当然没有使用1英寸CMOS模组那巨大的凸起唬人了。或许这也是“堆料型”超大底CMOS在未来的一段时间里，依然有望长期在影像旗舰市场流行的原因。

两三年前的老款旗舰CMOS，如今依然能打
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4 q. }" i9 {+ j6 \  X如果说存在底层架构创新的HP25X、IM888，是三星、索尼“留给自家用”、并且可能不会被许多消费者理解的“私货”；1英寸左右的GN6、GN2、IMX989是专用于外售，虽然重点、厚点，但画质也能到旗舰级的“大众情人”。那么尺寸落在1/1.56英寸的一大批“5000万像素旗舰级CMOS”，可能就是如今消费者见得最多，也最不以为然的那个产品级别了。

这些1/1.56英寸、5000万的CMOS中，包括但不限于GN5、IMX890、IMX766，甚至还有其实稍大一点、但往往被裁切使用的IMX800。它们与真正旗舰的上面两个级别传感器方案相比，无论是名义上的尺寸、像素感光能力，还是微观层面的架构都至少要差一个级别。

而且由于市场竞争因素的影响，这些1/1.56英寸、5000万像素的CMOS近年来呈现出快速“下放”的态势。它们以前确实曾经被搭载在一些定位很高的机型上，但现在甚至不少一两千元的产品也都用上了这些CMOS方案，所以更容易让消费者觉得是“过气产品”了。

* {9 P+ N6 W1 s$ H! e. h不过这类中等尺寸、5000万像素的手机CMOS传感器，从技术、功能层面上来说，其实没有很多朋友想象的那么差。它们的单像素尺寸和感光指标固然不够亮眼，但这些CMOS再怎么差，那也是与2022、2023年最新的新款旗舰CMOS相比才能体现出较大的差距。如果将视线倒退回2020、2021年就会发现，这些“中等尺寸”的5000万像素CMOS，在差不多两三年前还是只有顶级旗舰机型才用得起的配置。

  m2 e5 g! D1 m/ O正因如此，就导致这类CMOS虽然在我们的技术榜单上只能排到第三梯队，但它们毕竟普遍拥有全像素对焦设计、普遍支持堆栈式HDR成像，并且普遍具备高速读出（这意味着很快的连拍速度、有利于多帧合成降噪的效果）设计。
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甚至稍显讽刺的是，由于这类CMOS的尺寸较小、镜头设计起来比较容易，所以使得它们在手机上往往反而可以有比1英寸超大底CMOS更好的防抖和微距效果，往往对焦也会更快。因此站在消费者的角度来说，这些“前旗舰CMOS”尽管现在从技术、配置的角度来说只能排到第三梯队，但应付一般的日常拍照还是一点问题也没用的。
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小底+超高像素，坑的就是千元机
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老实说，虽然我们三易生活是按照客观上的技术优劣来进行排序分类，但直到前面讲过的三个档位的CMOS为止，它们都还是绝对“堪用”的。甚至如果你不是很专业的用户，可能都未必会感觉出它们之间有什么特别明显的差异性。
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  H- ]  p# Y* j* F( `但是接下来要讲到的这第四类产品，就多少有点“坑人”了。而它们就是通常只见于千元机，那些尺寸极其紧凑、像素数量还特别唬人的“小底高像素”方案。

4 t; ?: S- y8 ]! s' Y这些CMOS，就包括但不限于三星HM2（1.08亿像素、1/1.52英寸）、三星HM6（1.08亿像素、1/1.67英寸）、以及三星HP3（2亿像素、1/1.4英寸）。
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与前面讲到的三种CMOS类型相比，这些型号几乎可以说是“完美回避”了所有的加分项。它们既没有采用特殊的基础架构创新（别看HP3的产品名数字更大，但它并不带有HP2里的双传输门黑科技、也不支持双转换增益），本身的面积和单像素尺寸也都很小，而且对焦设计往往也极为普通。
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于是这也就意味着，从“天生”的技术参数上来看，很难指望这类CMOS方案在实际的拍照中，能有什么快速、稳定的对焦。它们过小的像素尺寸再加上“平凡”的架构设计，也就意味着糟糕的原生感光能力。
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有的朋友可能会说，这些CMOS毕竟像素高，那么“多合一”之后如果能配合高性能ISP去做合成降噪处理，最后不也能有理论上不错的画质吗？

2 P7 d- a5 _! ~) m  ~* C6 P) |诸如HM6这样的“超迷你高像素”设计，可以说从一开始就有些“不怀好意”
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的确如此。可问题就在于，从这类CMOS的市场定位来看，它们从一开始就从没想过要服务于什么很高端的机型，这些底又小、像素又高、基本架构还不太亮眼的CMOS，注定了就是专门给千元机“增加卖点”用的。那么又怎么可能指望用上了这些CMOS的机型，还会配备什么规格很高、ISP算力很强的移动平台呢？
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1 [) |5 @8 H% j. m" V结语：当技术和市场分道扬镳，许多消费者就注定会吃亏

请注意，虽然我们今天给大家比较详细的介绍了四个级别的智能手机CMOS方案，并且按照技术先进程度、实际画质优劣对它们进行了排序。但实际上，我们还远没有触及诸如用JN1做主摄、老旧库存1300万像素传感器再利用这类，如今智能手机影像设计的“下限”。
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' U& K1 p! U# f$ q0 }/ H1 E; l而这一方面是因为我们认为，真到了那个级别的产品所处的细分市场，它们的目标消费群体其实也真未必会在乎配置、在乎手机的拍照能力了。

5 Y7 [3 f$ n8 \, w$ R另一方面，大家纵观上面列出的四个级别CMOS就会发现，我们之所以要大费周章地对它们进行分析、排序，是因为这些CMOS如今在表面参数（面积、尺寸、像素大小、像素数量）上，几乎已经找不出什么很明确的规律性。无论是“底大一级压死人”、还是“像素越高越牛”，这些传统的、大多数消费者都能掌握的挑选诀窍，实际上都相当于已经失效。

/ b; @! G- B% s- y4 Q而之所以会发生这样的情况，不得不说确实与过去很多年间，整个手机行业在影像设计上无序发展、疯狂“创造卖点”的行径有着很大的关系。当终端厂商的宣传已经背离了技术发展道路，甚至反过来在一定程度上“绑架”了上游供应商的技术和产品路线时，最终产品规格的混乱自然也就成为了必然。