Поделиться
3-слойный CMOS-сенсор Sony с DRAM и поддержкой 960fps

Sony представила новую, первую в индустрии 3-слойную CMOS-матрицу с интегрированной динамической памятью (DRAM), предназначенную для работы в составе встроенных камер смартфонов следующих поколений. Ключевой особенностью нового сенсора изображения является интеграция дополнительного слоя (уровня) DRAM непосредственно в традиционный 2-слойный дизайн с CMOS-сенсором с тыльной подсветкой и чипами первичной обработки сигнала.

3-слойный CMOS-сенсор Sony с DRAM и поддержкой 960fps

Благодаря интеграции буферной DRAM непосредственно в кристалл сенсора, разработчикам матрицы удалось обеспечить очень высокую скорость считывания и обработки изображений. Новый сенсор позволяет снимать быстро движущиеся объекты с минимальной фокальной дисторсией (для CMOS-сенсоров с классическим построчным считыванием размер дисторсии порой проблематичен).

3-слойный CMOS-сенсор Sony с DRAM и поддержкой 960fps

Помимо этого, новый сенсор обеспечивать возможность сверх-замедленной съёмки видео со скоростью до 960 кадров в секунду в разрешении до Full HD (1920×1080 пикселей), что примерно в 8 раз быстрее чем у типичных современных продуктов вроде, например, широко распространенной CMOS-матрицы Sony IMX318.

Высокая скорость считывания изображения достигается за счет использования нового типа электронной схемы для преобразования аналогового видеосигнала с пикселей в цифровой сигнал: вместо традиционной для современных CMOS-матриц 2-уровневой конструкции в новой матрице используется 4-уровневый аналогово-цифровой конвертер. Скоростные ограничения спецификаций интерфейсов вывода сигналов сенсора на электронику обработки инженерам Sony удалось обойти за счет использования встроенной DRAM, которая служит своеобразным буфером для промежуточного хранения считываемых на высокой скорости сигналов, обеспечивая на выходе стабильный поток данных с оптимальной для стандартных интерфейсов скоростью.

3-слойный CMOS-сенсор Sony с DRAM и поддержкой 960fps

Скорость внутренней шины передачи данных достигает 102 Гбит/с (512 бит, 200 МГц). Встроенная DRAM емкостью 1 Гбит имеет организацию 128 бит х 4 канала, тактовая частота 200 МГц.

Слой сенсора изготавливается с соблюдением 90-нм технологического процесса 1AL5Cu. Слой DRAM изготавливается по 30-нм техпроцессу 3AL1W, слой процессорной и интерфейсной логики производится по нормам 40-нм техпроцесса 1AL6Cu. Конфигурация ячеек CMOS сенсора выполнена по топологии 1P4T, где на каждую ячейку с фотодиодом используется 4 транзистора для передачи, усиления, выборки и сброса, соответственно. Транзистор для передачи Транзистор для передачи данных формируется для каждого пикселя отдельно, в то время как три остальные транзистора распределяются на 8 пикселей: это традиционная топология, широко применяемая в настоящее время при производстве сенсоров Sony.

Использование буферной памяти в своеобразном “пред-процессоре” позволило добиться очень высокой скорости считывания изображений: 19,3 Мп картинка может быть считана всего лишь за 1/120 секунды, то есть, примерно в 4 раза быстрее, чем позволяют характеристики широко распространенной CMOS-матрицы Sony IMX318. Ниже показана разница результата работы матрицы при съемке быстро движущихся объектов (поезд) при разных скоростях считывания.

Использование буферной памяти в своеобразном "пред-процессоре" позволило добиться очень высокой скорости считывания изображений: 19,3 Мп картинка может быть считана всего лишь за 1/120 секунды, то есть, примерно в 4 раза быстрее, чем позволяют характеристики широко распространенной CMOS-матрицы Sony IMX318. 

При съемке видео такой сенсор позволит добиться впечатляющей сверх-замедленной съёмки обычным смартфоном:

В конструкции нового сенсора инженерам Sony также удалось решить ряд других насущных проблем, присущих современным многослойным CMOS-матрицам. Так, например, удалось значительно снизить уровень шума, возникающего из-за взаимного нагрева между тремя слоями чипа.

Спецификации первой 3-слойной CMOS-матрицы Sony с интегрированной DRAM
Структура изображения Байеровский RAW 
Число эффективных пикселей 21,2 Мп
Размер матрицы, пикселей 5520 (В) x 3840 (Г)
Диагональ матрицы 1/2,3 дюйма (7,73 мм)
Размер пиксельной ячейки 1,22 х 1,22 мкм
Скорость работы затвора, фото формата 19,3 Мп (4:3) или 17,1 Мп (16:9)  30 кадров в секунду 
Частота кадров, видео, 4K (3840 x 2160) 60fps
Частота кадров, видео, Full HD / 720p  240fps
Скорость чтения 8,478 мс (4:3, 19,3 Мп; 6,962 мс (16:9, 17,1 Мп)
Внутренняя тактовая частота 6-27 МГц
Динамический диапазон 64,8 дБ
Питание 2,5В, 1,8В, 1,1В 
Типичное энергопотребление  598,6 мВт при 18 Мп@30fps; 424 мВт при 4k2k@30fps
Выход MIPI (CSI2) D-PHY 2,2 Гбит/с на линию, C-PHY 2,0 Гбит/с на линию
Объем встроенной памяти 1 Гбит

Впервые Sony представила свой новый 3-уровневый CMOS-сенсор на международной конференции по твердотельной электронике – ISSCC (International Solid-State Circuits Conference), проходившей в начале февраля 2017 в Сан-Франциско. Каких-либо точных или приблизительных сроков коммерциализации проекта в компании пока не называли.

Ссылки по теме: