21世纪经济报道记者 彭新

“像素更多、尺寸更小、读出速度更快”，在Eric Fossum看来，这些更多是市场推动下的渐进式工程进步。过去多年，图像传感器领域真正深刻的变化，是3D集成。

Eric Fossum是CMOS有源像素图像传感器（CMOS-APS）的核心发明人，也被称为“CMOS图像传感器之父”。20世纪90年代初，他领导美国国家航空航天局喷气推进实验室（NASA JPL）团队开发出可将图像感知、读取和处理功能集成于芯片的技术，随后联合创办Photobit，推动CMOS由航天领域走向更广阔的消费电子市场。

（Eric Fossum，美国工程师、达特茅斯学院工程学院教授）

如今，CMOS图像传感器也已成长为一个超过200亿美元的全球市场，广泛应用于智能手机、汽车、安防、医疗和工业设备。市场持续扩大的同时，先进制造、封装和终端能力正变得愈发重要，竞争优势也进一步向垂直整合企业集中。研究机构Yole Group数据显示，2025年全球CMOS图像传感器市场规模达到253亿美元，索尼占据接近一半的市场份额，三星位居第二。

回顾CMOS图像传感器的产业化历程，Eric Fossum告诉21世纪经济报道记者，全球市场的领先力量逐步由美国企业转向亚洲企业。在他看来，索尼和三星的领先与长期资本投入、人才积累及垂直整合能力密切相关。

Eric Fossum也关注到中国CMOS的研究与产业进展。他表示，中国正在开展大量相关研究，自己也看到了许多论文。“就我所见，这些论文尚未完全达到最前沿水平；不过，中国正在这一领域涌现出一些实力很强的研究团队。”

在产业层面，他以长光辰芯为例指出，这类中国厂商未必能在广泛市场上达到索尼、三星的规模，但有望在部分细分领域建立优势，甚至成为市场领先者。

对于被视为下一代技术方向的量子图像传感器（QIS），Fossum没有给出“取代CMOS”的乐观预测。他判断，更可能出现的未来是两类技术逐渐融合。人工智能正在推动图像传感器由“为人眼设计”转向“为机器智能设计”，但真正具有决定性影响的边缘视觉应用仍未出现。

以下为采访内容，经编辑：

21世纪经济报道：今天，全球CMOS图像传感器市场由索尼、三星等亚洲公司主导。作为这项技术的核心发明人，你如何看待当前的市场格局？

Eric Fossum：我发明这项技术时，索尼及其他一些日本公司是CCD市场的主要供应商。当时，我希望美国工业界能够开始生产CMOS图像传感器，后来他们确实做到了。

我的初创公司Photobit被美光科技收购后，有一段时间，美光成为全球第一大CMOS图像传感器供应商。不过，尽管美光具备成为垂直整合企业的条件，它后来出于商业考虑，将图像传感器部门分拆为独立公司Aptina。

我认为，一家公司如果既拥有广泛的制造能力，又拥有低成本电子产品生产能力，在垂直整合的情况下会更加强大。令人意外的是，在技术开发方面，垂直整合企业有时反而能比独立运营的公司行动得更快。回头看，我认为将这个部门分拆出去是一件遗憾的事。当然，那不是我的决定，当时我也已经不在美光了。

此后，索尼为进入CMOS图像传感器市场投入了非常庞大的资金。我想，其投入规模可能以数十亿美元计。索尼的传感器质量很高、性能也很强，重新成为第一大供应商是自然的结果。

三星的情况与此相似。我曾为三星工作过一段时间。三星也进行了大量投入，团队工作非常努力，人才也非常优秀，因此成为主要供应商之一。

中国也有几家公司已经具备成为行业领先者的条件。例如，长光辰芯最近在中国上市，这家公司拥有很多优秀人才，它也许不会像三星或索尼那样在广泛市场上取得同等规模的成功，但在一些细分领域可能会非常强，甚至做到第一。

21世纪经济报道：你担任三星顾问的几年，正值亚洲图像传感器产业竞争格局重塑。回看这段历程，产业最深刻的变化是什么？

Eric Fossum：企业不得不投入大量资金，继续推动CMOS图像传感器发展。早期，这一产业在很大程度上依赖既有的CMOS制造工艺和知识。但随着图像传感器演进为背照式器件，情况发生了变化，因为背照式结构并不是普通CMOS制造中的常见做法。

除此之外，面向光线的一侧还要加入滤光片、微透镜等光学元件，未来也许还会加入超透镜。这些工艺已经明显不同于通常的CMOS芯片制造流程。图像传感器还是较早采用3D堆叠技术的器件之一，因此需要的投入越来越多，专业化程度也越来越高。

对我而言，最深刻的变化就是图像传感器的3D集成，而且它已经得到广泛应用。当然，芯片本身也在持续变化：像素更多、像素尺寸更小、读出速度更快。但我不会把这些称为“深刻变化”，它们更像是市场力量推动下的渐进式工程进步。如果看大的技术转折，3D集成是最重要的变化。

21世纪经济报道：CMOS技术是否已经开始触及物理极限？下一项重大突破可能出现在哪里？

Eric Fossum： 很久以前，我曾受邀为一本数码相机著作撰写有关图像传感器未来的章节。作为一名物理学家，我问自己：像素尺寸缩小的最终极限是什么？我的设想是，像素将进入深亚微米尺度，电荷容量也会变得非常小，最终可以用单个电子作为信号。由此，我提出了量子图像传感器，也就是QIS的概念。

最初，它看起来像科幻小说。但经过多年发展，这个概念已经越来越接近现实。我们在达特茅斯学院的研究表明，利用类似CMOS图像传感器的器件，可以以很高的确定性检测单个光电子，并实现很低的误码率。与此同时，单光子雪崩二极管（SPAD）也在向更小的像素间距、更低功耗和更低工作电压发展，尽管这类器件的总像素数仍少得多。

对于低照度、光子匮乏的应用，QIS具有明确优势；在计算成像及一些新的计算任务上，它同样可能具有优势。但真正的问题是：在通用应用中，QIS是否拥有足够强的优势，可以取代现有的CMOS图像传感器范式？对此我并不确定。

在全球数千名工程师的共同推动下，今天的CMOS图像传感器已经成为性能相当出色的技术，要取代这样一种强大的既有技术并不容易。更可能出现的未来是，QIS技术被集成到常规CMOS图像传感器中，两类技术逐渐融合。

21世纪经济报道：这种融合将怎样进入日常生活？大规模进入消费市场的障碍是什么？

Eric Fossum： 对消费者而言，这种融合可能带来更高的动态范围，以及极低照度下更好的性能。它也适合汽车应用，尤其是采用SPAD器件时。SPAD可以获取光子到达时间，这对于激光雷达和自动驾驶汽车非常重要。家庭门铃摄像头、家庭安防和工业安防系统，也都需要低照度成像能力。

不过，现在大多数智能手机都配备了分辨率非常高的摄像头，但人们通常不会真正使用全部分辨率。拍完照片后，往往还要压缩再上传到社交媒体。除非要制作大尺寸照片或者进行裁切，否则这么高的分辨率在很多时候是被浪费的。

我很久以前说过一句话：营销的力量有时比工程的力量更强。当时，我们已经能够制造拥有大量微小像素的图像传感器，像素尺寸甚至可能小于衍射极限下有实际意义的尺度。但人们并不在意，因为只要产品包装盒上可以写一个更高的像素数量，就会带来很强的营销优势。

21世纪经济报道：人工智能正在推动图像传感器从“为人眼设计”转向“为机器智能设计”，其底层架构会发生哪些变化？

Eric Fossum：20世纪80年代攻读博士学位时，我就曾使用CCD类器件研究所谓的“智能图像传感器”。今天，我们把这种思路称为边缘计算，也就是把AI放在图像采集发生的边缘端。当时确实太早了，周边的创新生态还不存在，AI也远没有发展到今天的程度。

在这种架构中，需要提取能够增强机器识别或机器理解能力的特征。传感器可能关注时间变化或空间变化，也可以寻找特定信号和特征，在芯片层面完成计算。

坦率地说，我现在仍不确定，这些工作更适合在传感器芯片上完成，还是放到芯片外部的专用处理器中完成。通常而言，只要不会增加过多功耗和热量，集成会是一件好事。

在图像传感器芯片上，对相邻像素采集的信号进行比较、汇总或局部计算相对容易，但如果要关联画面中相距较远的像素，传统平面芯片的布线和数据传输会变得更加复杂。3D集成也许能改变这一点，通过增加芯片堆栈层数，可以加强相距较远的像素之间的通信，实现更大范围的相关性计算。

我认为，我们正站在真正有意义的边缘计算即将出现的门槛上，但大家仍在等待一个能够产生决定性影响的“杀手级应用”，它还没有真正出现。更合乎逻辑的场景可能是汽车传感器，因为车辆高速运动，系统必须非常迅速地作出决策，以保障生命安全。

另一个日益重要的方向是图像真实性认证，我们需要确认看到的是一张真实图像，而不是合成图像或被修改过的图像。如何直接在芯片层面完成认证，会变得越来越重要。

21世纪经济报道：先进制程成本高昂，学术界和初创公司很难获得前沿工艺支持，应如何看待这一挑战？

Eric Fossum： 对小型学术实验室和初创公司而言，获得先进工艺的使用机会是一个非常大的挑战，而许多初创公司本身就源自学术实验室。

今天，如果希望以可承受的成本制作掩模和芯片，并获得合理的交付周期，通常必须借助多项目晶圆（MPW）服务。不幸的是，这类服务一般只能提供较老的技术节点，研究者无法使用更先进的工艺，也就难以真正处于技术前沿。

如果我有一根魔法棒，我希望产业界更积极地与学术实验室合作，而且这种机制可以是全球性的。研究人员应有机会在最先进的技术节点上使用类似MPW的服务，验证新想法和新概念。

坦率地说，这些想法中的大多数可能并不重要，但这就像在河里淘金，最终也许会发现一些“金块”。这种机制对产业界也有好处，因为企业可以坐在第一排，最早看到学术界正在发生什么。

当然，合作还涉及技术归属和转化问题。由于产业伙伴提供工艺支持，经过验证的技术可能直接进入合作企业，而不一定再通过一家初创公司独立发展。企业也会担心工艺机密和竞争信息泄露，双方都必须承担一定风险。

我希望台积电这样的先进晶圆代工厂，以及三星、意法半导体、索尼等公司，能够以更开放的方式向学术实验室提供一定程度的先进工艺支持。我认为，这是未来需要发生的事情。

21世纪经济报道：中国正大规模投入半导体研究基础设施和前沿研究，你如何比较国家投入与市场驱动两种技术创新模式？

Eric Fossum： 美国多年来也曾周期性地对半导体进行大规模投入。当前，美国正通过《芯片与科学法案》（CHIPS and Science Act）进入又一个投入高峰，政府认识到，需要投资半导体产业，帮助本国企业在全球市场上取得更具竞争力的位置。

从这个角度说，这并不是中国独有的做法，而是一种全球趋势，欧洲和日本也在做类似的事情。总体上，我认为这是一件好事。

但无论政府如何投资半导体企业，学术实验室都应当参与其中，并带来处于前沿、却未必与产业界当前所认为的“下一步需求”完全一致的想法。有时，突破恰恰来自群体思维之外的新想法，因此必须为这些想法留下进入产业体系的通道。

我还想补充一点。当前，中国正在开展大量图像传感器研究，我也看到了很多相关论文。就我所见，这些论文尚未完全达到最前沿水平；不过，中国正在这一领域涌现出一些实力很强的研究团队。

这会让我更想参与竞争，也会推动我在相关方向上做更多工作。这种竞争对技术发展非常有益，所有人都会更兴奋、更努力，也更想取得领先。正如一句老话所说，“水涨船就高”（A rising tide lifts all boats）。

21世纪经济报道：对于今天进入半导体行业的新一代工程师和创业者，你最重要的一条建议是什么？

Eric Fossum： 保持好奇，多提问题，努力理解超出眼前工作所必需范围的知识，并继续向外探索。如果可能，还要多与不同的人交流，真正理解全局。

不仅要理解技术全貌，也要理解商业全貌。商业视角对于理解某些决策为何作出同样重要，因为现实中的决定并不总是只由技术因素决定。