Un CMOS, déployer un marché de 100 milliards de puces

À mesure que les dividendes de la consommation mobile diminuent, les fabricants de téléphones mobiles s'efforcent de conquérir le marché haut de gamme.Des objectifs aux puces, en passant par les écrans et les batteries, tous les aspects des performances ont été considérablement améliorés.Cependant, les progrès dans divers aspects ont atteint un plateau.Finalement, les fabricants de smartphones ont reporté leur attention sur l’appareil photo.Les bosses de l'appareil photo des smartphones sont de plus en plus importantes et cela fait 13 ans que le produit révolutionnaire iPhone 4 est sorti.

Le nombre de pixels est passé de deux millions à des dizaines de millions, repoussant les limites d'un seul objectif.Par conséquent, le nombre d’objectifs sur un seul téléphone a augmenté.Des caméras doubles aux caméras multiples (caméras triples, caméras quadruples), de nombreux termes éblouissants ont émergé : pixels de niveau reflex numérique, objectifs grand angle et ultra grand angle, ouverture réglable, zoom optique 3x, téléobjectifs de type périscope, un -capteurs en pouces, etc.

Les fabricants collaborent de plus en plus avec des marques d'imagerie renommées telles que Hasselblad, Leica, Zeiss et Sony.

La plupart des consommateurs sont prêts à payer pour les fonctionnalités d'un appareil photo. Transformer les smartphones en appareils photo est donc devenu une nécessité pour les fabricants face à l'homogénéisation croissante de l'innovation en matière de smartphones.

En revanche, la technologie CCD, récemment obsolète, un type de caméra à carte équipée d'un capteur d'image CCD, a connu une résurgence.Une vague de nostalgie du CCD, caractérisée par une préférence pour l’ancien par rapport au nouveau, a émergé.Le CCD, autrefois considéré comme un « déchet électronique », est devenu un nouveau favori parmi les jeunes et les passionnés de mode.

L'ancêtre du CMOS pour smartphone, le CCD, a changé la façon dont nous observons et enregistrons le monde.Cependant, son inventeur n’a reçu le prix Nobel de physique que 40 ans plus tard, en 2009. On peut dire que sans le développement progressif du CCD, le CMOS n’aurait pas existé.L'étoile montante CMOS a pris le relais du CCD et se dirige vers un avenir plus lointain.

En lisant cet article, vous comprendrez :

1、Le passé et le présent du CMOS.

2、Comment des capteurs discrets peuvent exploser sur un marché d’un milliard de dollars.

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Les « fondations » de l'appareil photo numérique : du CCD au CMOS

Capteurs d'image, CCD et CMOS : pouvez-vous les distinguer ?

Il s'agit de la projection capturée par le premier capteur d'image CCD : 'S.' En 1969, les Bell Labs ont inventé le dispositif à couplage de charge (CCD), capable de convertir des images optiques en signaux électroniques, jetant ainsi les bases des appareils photo numériques.

Il s'agit du « S » enregistré par un CCD en 1972, l'année où les ingénieurs de SONY ont terminé avec succès la projection de la lettre « S » avec un CCD de 64 pixels ;Source : Réseau

Au début, les performances du CCD étaient limitées, capables uniquement de capturer des informations sur la luminosité, donc limitées à l'enregistrement d'images en noir et blanc.

Les « Huit Traîtres » ont quitté les Bell Labs et sont arrivés dans la Silicon Valley.Peu de temps après la sortie du premier processeur Intel huit bits, le 8008, en 1973, le premier dispositif à couplage de charge (CCD) commercial au monde a été introduit par Fairchild Semiconductor.

En 1975, le « Roi du cinéma » Kodak a utilisé le Fairchild 201100 CCD pour créer le premier appareil photo numérique.Cet appareil photo possédait 1,3 million de pixels, éliminant ainsi le besoin de film.Le CCD capturait des images, mais ne pouvait pas les stocker.Pour résoudre ce problème, il a utilisé une mémoire vive (RAM) pour capturer les données d’image, qui ont ensuite été transférées sur une cassette.

Nom : 网络

Kodak est devenu l'un des premiers acteurs de la technologie CCD.Malheureusement, malgré les bénéfices importants réalisés par Kodak grâce à la photographie argentique, la société a décidé d'arrêter la recherche et l'innovation en matière de CCD lorsqu'elle a découvert que les appareils photo numériques ne nécessitaient pas de pellicule.Ce refus de s’adapter a conduit à la perte d’une main gagnante.

Sony a pris le train des appareils photo numériques en lançant le projet CCD en 1973 et en fabriquant une puce prenant en charge 110 000 pixels en 1978. L'appareil photo MAVICA, introduit en 1981, est devenu le premier appareil photo numérique disponible dans le commerce au monde.En 1985, Sony lance le premier caméscope CCD portable, le M8.

Cette vague d'innovation technologique a rapidement déferlé sur le Japon, les entreprises japonaises entrant de manière agressive sur le marché mondial des appareils photo numériques.Au 21e siècle, Sony, Fuji, Kodak, Philips, Panasonic et Sharp figuraient parmi les six fabricants capables de produire en masse des produits liés au CCD.

À la fin des années 1990, le CCD a trouvé des applications au-delà des appareils photo numériques grand public, étant largement utilisé dans l'imagerie électronique professionnelle, l'exploration spatiale, l'imagerie à rayons X et d'autres domaines de recherche.

Au fur et à mesure que la technologie CCD mûrissait, ses inconvénients sont progressivement apparus : processus de fabrication complexes, incompatibilité avec les processus standards, coûts de production élevés, grandes dimensions et consommation d'énergie élevée.Le capteur d'image CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) est devenu le plus grand gagnant après le CCD.

Ces deux types de capteurs d'images, CCD et CMOS, correspondent respectivement essentiellement aux processus TTL et CMOS.

Le CCD (Charge-Coupled Device) suit la structure MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), comprenant un ensemble de condensateurs soigneusement disposés (condensateurs MOS) pour convertir les photons en électrons pour la capture d'images.D'autre part, le CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) suit la structure MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor).

Les capteurs CCD collectent passivement des données et nécessitent une tension externe pour déplacer la charge dans chaque pixel, tandis que les capteurs CMOS collectent activement des données, amplifiant et émettant la charge générée par la diode photosensible directement via des transistors.Le CCD produit des signaux analogiques pour un traitement ultérieur, tandis que les capteurs CMOS peuvent directement produire des données traitées ;Source : COVENTOR.

Ces deux méthodes d’acquisition différentes font la différence la plus notable en termes de consommation d’énergie.En outre, il existe des différences dans la qualité de l’image, la vitesse de traitement et d’autres aspects, comme détaillé dans le tableau suivant :

En réalité, la technologie CMOS a posé les bases les plus solides pour les circuits intégrés basse consommation, ce qui en fait la technologie de puce actuellement prédominante dans le monde.À mesure que les systèmes de vision industrielle passent des conceptions traditionnelles au niveau de la carte aux petits systèmes intelligents, les processus CMOS peuvent suivre le rythme de la loi de Moore, permettant une intégration plus élevée des puces et une consommation d'énergie réduite.

Dans les premières années, les capteurs d’images n’étaient pas fabriqués à l’aide de procédés CMOS.Ce n'est qu'à la fin des années 1980 que l'Université d'Édimbourg a développé avec succès le premier capteur d'image CMOS monopuce au monde.En 1997, la société britannique VLSIVersion a réalisé pour la première fois la commercialisation de capteurs d’image CMOS.

En 2000, Sony a développé avec succès son premier capteur d'image CMOS (IMX001).Cependant, à cette époque, les inconvénients du capteur CMOS en termes de qualité d'image et de bruit étaient encore importants, empêchant une remise en cause immédiate de la position dominante du CCD.

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Capteurs discrets,

Faire son entrée sur un marché d’un milliard de dollars

Cependant, avec les progrès et la maturité de la technologie CMOS et la réduction continue des coûts, les prix des appareils photo numériques ont véritablement commencé à devenir plus abordables, tandis que le développement du CCD est entré dans une « période de goulot d'étranglement ». Après 2010, les capteurs CMOS sont devenus la technologie dominante, ne remplaçant pas complètement le CCD mais le supplantant largement.Les capteurs CCD ne sont désormais retenus que dans les équipements professionnels moyen format haut de gamme.

Derrière le fait que le CMOS soit devenu la technologie photographique dominante, une force formidable surgit.Nés presque simultanément avec les appareils photo numériques en 1999-2000, les smartphones sont devenus un concurrent sérieux.

À mesure que les smartphones ont évolué de téléphones de base vers des appareils intelligents, intégrant des fonctionnalités d'appareil photo améliorées et améliorant continuellement le nombre de pixels de l'appareil photo pour améliorer l'expérience photographique, ils ont progressivement érodé la part de marché des appareils photo numériques.

En 2008, Nokia a présenté le classique N96, équipé d'un appareil photo de 5 mégapixels.Au cours de cette année-là, Nokia a vendu un chiffre stupéfiant de 460 millions de téléphones mobiles dans le monde, un exploit qui a non seulement dépassé de nombreux fabricants d'appareils photo, mais a également posé un défi aux sociétés de téléphonie mobile ultérieures.Pendant un certain temps, Nokia est devenu le plus grand « fabricant d'appareils photo » au monde.

L’année 2010 a marqué un tournant crucial tant pour les téléphones portables que pour les appareils photo numériques.Avec la sortie de l'iPhone 4, doté d'une caméra arrière de 5 mégapixels, ainsi que d'une expérience utilisateur et d'une qualité d'image améliorées grâce à des interfaces logicielles et des algorithmes optimisés, le paysage de la photographie sur téléphone mobile a fait un bond en avant significatif.Les fabricants de smartphones Android ont délaissé la course aux mégapixels pour se concentrer sur des domaines tels que les objectifs, les processeurs et les algorithmes d'optimisation.

Il convient de noter qu’entre 2003 et 2010, les livraisons d’appareils photo numériques ont connu une croissance constante chaque année.Cependant, après avoir atteint un sommet avec 121 millions d'unités expédiées en 2010, les expéditions ont commencé à décliner rapidement.Les smartphones ont rapidement dépassé les appareils photo numériques en termes de livraisons et les ont laissés loin derrière.

La demande en forte hausse pour les smartphones est devenue une opportunité lucrative aux yeux des fabricants de capteurs.

Les capteurs d'image CMOS ont rendu les « caméras à puce » de plus en plus viables.Les trois avantages « faible coût de production », « faible seuil technique » et « faible consommation d'énergie » sont devenus irremplaçables pour les capteurs CMOS.

L'intégration de fonctionnalités monopuces, permettant une production de masse de puces à grande échelle, a considérablement réduit les coûts de production.Les objectifs numériques des appareils tels que les smartphones et les ordinateurs sont devenus plus petits, plus économes en énergie, plus rapides en imagerie et plus abordables.Aujourd’hui, même un petit capteur d’image de smartphone peut atteindre des centaines de millions de pixels, contribuant ainsi à la prolifération rapide de l’électronique grand public.

En 2011, l'attention a été attirée sur les données de nombreux photographes professionnels et passionnés de photographie.Les données ont révélé qu'un an seulement après sa sortie, l'iPhone 4 de 5 mégapixels a dépassé le Nikon D90 de 12 mégapixels, sorti trois ans auparavant, devenant ainsi l'appareil de capture le plus populaire sur Flickr.

Le dépassement de l'iPhone 4 a marqué l'acceptation progressive de la photographie mobile par les photographes professionnels.À cette époque, les ventes d'appareils photo numériques avaient diminué de 29 % au cours des cinq dernières années, et les ventes de caméscopes traditionnels avaient également diminué de 21 %.

Les capteurs à objectif mobile sont passés de capteurs CCD dotés de quelques centaines de milliers de pixels à des capteurs CMOS de 200 millions de pixels, réalisant ainsi un saut qualitatif en termes de performances d'imagerie et entraînant une croissance rapide du marché.Malgré un ralentissement de la demande des consommateurs pour les smartphones vers 2020, le secteur des appareils photo pour smartphones reste important et continue d'afficher une croissance.

Le nombre de caméras dans les smartphones milieu et bas de gamme a rapidement augmenté, avec de nouveaux modèles continuellement mis à jour pour inclure quatre caméras.Une fois que la quantité atteint un certain niveau, l’accent est mis sur les comparaisons de performances.Même les modèles bas de gamme entrent dans le domaine des pixels élevés, où les configurations autrefois haut de gamme ne sont plus exclusives mais sont désormais disponibles dans les appareils milieu et bas de gamme.

Selon le cabinet d'études de marché Counterpoint Research, au second semestre 2022, le nombre moyen d'appareils photo par smartphone était de 3,9, en légère baisse pour atteindre 3,8 au premier semestre 2023. Bien qu'il s'agisse d'un chiffre notable, le marché des smartphones devrait se redresser. après une année de réduction des stocks en 2024. Le marché des modules de caméra pour smartphone devrait reprendre sa croissance, avec des expéditions qui devraient augmenter de 3 % sur un an pour atteindre environ 4,171 milliards d'unités.

Si l’on regarde les marchés des CCD et des CMOS, l’écart entre les deux se creuse.

Les données indiquent que le marché mondial des capteurs d’image CCD a atteint 1,74 milliard de dollars en 2022 et qu’il devrait atteindre 2,68 milliards de dollars d’ici 2031, avec une croissance annuelle composée (TCAC) de 4,9 % au cours de la période de prévision 2023-2031.En 2020, le marché mondial des capteurs d’images CMOS était évalué à 20,725 milliards de dollars et devrait atteindre 39,624 milliards de dollars d’ici 2028, avec un TCAC de 8,6 % au cours de la période de prévision.Selon Mordor Intelligence, la taille du marché des capteurs d’image CMOS en 2023 est de 21,33 milliards de dollars et devrait atteindre 30,08 milliards de dollars d’ici 2028.

La part de marché des capteurs d’images CMOS a largement dépassé celle du CCD et a connu une croissance rapide sans précédent.

来源：rapports sur les marchés de croissance

来源：rapports sur les marchés de croissance

Outre la plus grande part de marché dans le secteur de l'électronique grand public, le champ d'application des capteurs d'image CMOS comprend également les équipements automobiles, aérospatiaux, médicaux et militaires.Actuellement, le marché CIS (CMOS Image Sensor) est dominé par des sociétés telles que Sony Semiconductor, STMicroelectronics, Samsung Electronics, OmniVision (OV) et ON Semiconductor.Parmi eux, les trois principaux fabricants, Sony, Samsung et OV, représentent collectivement plus de 70 % des parts de marché.

Le CCD, outre son rôle dominant dans l'électronique grand public, trouve également des applications dans des domaines tels que la sécurité et la surveillance, l'imagerie médicale et le transport automobile.La demande de CCD ne cesse de croître, en particulier dans le domaine de la vision industrielle où les exigences en matière de clarté d'image et de résistance au bruit sont croissantes.Cependant, le développement de la conduite autonome et de la technologie CMOS freine la croissance du marché des CCD.

Actuellement, les principaux scénarios d'application des CCD et CMOS concernent toujours l'électronique grand public.Cependant, l'essor et l'utilisation généralisée des smartphones ont pleinement démontré la valeur marchande du CMOS, tandis que le CCD est passé au second plan, continuant à jouer un rôle dans les applications d'imagerie haut de gamme.

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Conclusion:

Le CCD, qui représente une plus petite partie du marché des capteurs d'image, est confronté à des défis pour introduire de nouveaux produits grand public, qu'il s'agisse de la résurgence des appareils photo compacts rétro ou des appareils photo haut de gamme au prix élevé.Le CMOS est devenu dominant, les smartphones prenant le contrôle de la scène photographique dans des espaces limités.Ce changement a non seulement réduit le coût de la photographie, la rendant plus accessible, mais a également entraîné des progrès dans la technologie CMOS.Que ce soit dans les appareils photo numériques, les automobiles, la robotique, les drones ou les applications AR/VR, le CMOS est en plein essor et ses jours brillants devraient se poursuivre à l'avenir.