Sony 慢動作攝影晶片 IMX400 解密，每秒 - 手機討論

https://technews.tw/2017/06/19/the-secret-of-sony-xperia-xz-premium-960/

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）

SONY這次新機採用的IMX400是手機第一個使用內建DRAM的CMOS
因為這樣讓960fps高速錄影也能手機上使用 這算是一個好的開始
960fps放慢動作後看起來真的很有Feel
另外是Rolling Shutter效應
在IMX400上 的確也沒有過去那麼嚴重
未來何時SONY會將這技術放給它廠
也還不能確定！ 所以目前仍是SONY自家XPERIA獨佔

--