L／たこさん取材 98.3.4 10:50 AM ページ 20 (1,1) 撮像素子、一気にCMOSへ流れるか ∼ システム化で押す欧米勢、CCDを極める日本勢 ∼ アニメーションKAB 杉沼浩司 t雨のUnion Square LSI技術に関する国際学会として知られるISSCC98（1998 IEEE International SolidState Circuits Conference）が、米国サンフランシスコ市で2月5日より7日まで開催された。サンフランシスコ市を含む北カリフォルニアは、この10年で最悪とも言われる豪雨に見舞われ至る所で交通が遮断された。しかし、世界各地から集まった研究者達は天気を気にする様子もなく、地下のボールルームで開かれた発表に参加していた。地下のボールルームをすべて使って５つのセッションが平行に行われた。多くの参加者が活発に議論し、熱気は廊下にまであふれていた。 20 ︱eizojoho industrial L／たこさん取材 98.3.4 10:50 AM ページ 21 (1,1) ■ 実物が求められる発表 ISSCCは、マイクロプロセッサ、メモリ、信号処理などのディジタル分野、A-D/D-Aコンバータ、無線、フィルタなどのアナログ分野の双方をカバーするのが特色である。また、設計と机上のシミュレーションによる発表ではなく、動作する実物（最低限、何らかの出力信号）が求められるのも大きな特徴である。そのためか、純粋に学術的なものよりも、試作のレベルに達したものが送り込まれてくる。ISSCCでの発表を見ることは、1年程度の近い将来に登場する製品を占うのに非常に役に立つ。また、ISSCCが産業界に密着していることの好例としては、メディアプロセッサのセッショ会場内は撮影・録音禁止となっているので、写真はここまで。入り口では、評価用のシートが配られる。ンが始まったことを指摘したい。25の発表セッションと8つのディスカッションセッションがあり、今年は、8件の発表中6件までがCMOS型固体撮多くの話題に関して活発に議論された。論文数は像素子の発表となり、ISSCCのトレンドがCMOSに 159である。ある 1）ことを示している。また、夜の討論会はなお、筆者はマイクロプロセッサのアーキテク「Will CMOS Image Sensors Survive Scaling?」（CMOS チャレベルの設計を専門とするもので、イメー型イメージ・センサはLSIの線幅縮小に対応して生ジ・センサの製造技術は専門ではない。システムき残れるか？）という議題で開催された。「CCDかレベルまたは、それに近い観点から報告する。 CMOSか」というレベルは既に過ぎ去っていることを思わせる議題である。 ■ セッション11：イメージ・センサ今回は、イメー FA11.1：A 200mW 3.3V CMOS Color Camera IC Producing 352×288 24b Video at 30Frames/s ジ・センサのセッシ M.Loinaz, et al. , Bell Labs., Lucent Technologies ョンに参加した。数（以下、ファーストオーサとその所属のみを記載）年前まで、イメーセンサ部に加えて、A-Dコンバータ、色補間、ジ・センサはCCD一色補正、ホストインタフェイスまで加えた「1チッ色で、HDTVを指向プディジタルカラーカメラ」の発表である。センしたものの発表が相サ部に加えて、ディジタル処理部分を含めてしま次いでいた。その直うようなシステム化が計れるのがCMOS型撮像素接的、間接的な成果子の大きな特徴となっているが、それを如実に示は、昨年続々と登場す例となった。発表者も「CMOSは高集積化が可したメガピクセルの能だ」とメリットを強調していた。このようなアディジタルカメラにナログ・ディジタル混載型の素子はディジタル部現れていると言ってが発するノイズの影響が懸念されるが、実測の結よかろう。果画像へのノイズの混入は認められなかったとい 1）必ずしも、業界のトレンドを反映するとは言えない。論文採択委員会の興味がCMOSもしくはCMOSで実現できたことに重きを置いている、と解釈すべきだろう。 March 1998︱ 21 L／たこさん取材 98.3.4 10:50 AM ページ 22 (1,1) う。その理由として、ディジタル部とアナログ部 Triggered Readout に別々の電源が用意されたことと、内部のセンサ E. R. Fossum, et al., Photobit Corporation 機構があげられた。ノイズパターンの解析から、 Photobit社は、CMOS撮像素子の提唱組織の1つディジタル部のノイズはバッファリングの際に出として有名なJPLのスピンオフである。同社が発表るもので、画像に影響がない理由も判明した。こしたのは、歯科用のX線撮像CMOS素子である。発の素子は単層ポリシリコン2層メタルCMOSで製造表者は「おそらく、世界最大のCMOS素子であろされた。消費電力は、182mW（3.3V時）とのことう」としている。口腔中にフィルムを入れて撮影である。する歯科において、「環境への影響を考え、フィルこの素子は実験用ながらシステム化が徹底してムを使わなくすることを目的に開発された」と意おり、PC市場で多用されている「テレビ会議用」図が説明された。この素子は、センサアレイにあのカメラ（$300程度で売られている）の置き換えるフォトダイオードがX線を直接感知するのではを狙っていると見られる。補正や補間のための演なく、素子上に貼られた感光材が発する可視光を算部の能力は100MOPSに達しており、ホスト側の取り込む。また、素子はX線の入射を感知して自負担は軽い。「性能はCCDと同等である」と発表者動的に立ち上がる。万が一の漏電の可能性を考えは主張している。ると、高電圧を使用するX線機器からトリガを送ることはできないという。 FA11.2：A Single-Chip 306×244-Pixel CMOS 発表者は、CCDではこのような分野への利用は NTSC Video Camera 考えられないと主張した。その理由は、CCDのコ S. Smith, et al., VLSI Vision Ltd. スト高（特に大面積のもの）と高電圧の使用を指 VLSI Vision社も「ディジタルのスイッチング摘した。「CCDで使う十数ボルトがかかった素子を（ノイズ）の問題と熱の問題が解決されればCMOS 口腔に入れるのはFDAが許さないだろう」と述べの方が有利」とにらんでいる。今回試作した素子会場の笑いを誘っていた。CMOSならば、コストは、NTSCのコンポジットビデオ信号を出力するもと電圧が下がり、使用するワイヤも少なくてすむ。ので、1チップにビデオカメラの全機能が集積され撮像素子の画素数は675（H）×900（V）で、解たことになる。フォトダイオードアレイから読み像度は20本/mmとなっている。ダイナミックレン出された信号は8ビットの分解能でディジタル化さジは72dBを確保した。2μｍの単層ポリシリコン2 れ、補間、色補正、ガンマ補正などが行われ、最層メタルCMOS技術で製造されている。この素子終的にD-Aコンバータを通りアナログ信号が出力は、量産段階にある初のCMOS撮像素子だとされされる。回路内ではD-Aコンバータの発熱が大きている。いと見込まれたため、これはフォトダイオードアレイから離して配置されている。フォトダイオー FA11.4：A CMOS Imager with On-Chip Variable ドアレイは、全体の30%程の面積を占めている。 Resolution for Light-Adaptive Imaging 素子は、2万5,000ゲート（ディジタル部）、40万 Z. Zhou, et al., California Institute of Technology トランジスタ（アナログ部）、で0.8μmの単層ポリ Caltech、CondorVision、そして前出のPhotobitがシリコン2層メタルCMOS技術で作られている。ブ共同開発したこのCMOS素子は、信号処理機能をロック図によれば、外付けに必要な部品は6つの抵組み込むことで、低光量下のSN比を改善する機能抗、14個のコンデンサ、1個の水晶発振子のみであを得ている。一種の高機能素子と言えるだろう。り、実用化されれば簡易な1チップNTSCカメラと SN比の改善は、近傍ピクセルとの間での演算によしての利用が見込める。り行われる。 FA11.3：A 37×28E 600k-Pixel CMOS APS μmの単層ポリシリコン2層メタルCMOS技術で製 Dental X-Ray Camera-on-a-Chip with Self- 造された。毎秒125フレームを処理する場合、消費試作された素子は、128×128の画素を持つ。1.2 22 ︱eizojoho industrial L／たこさん取材 98.3.4 10:50 AM ページ 23 (1,1) 電力は24mWとのことである。ブ・インタレース両対応の素子を発表したNECが先陣を切った。今年の素子は、画素数は同等 FA11.5：A 256×256 CMOS Imaging Array with （1,308（H）×1,032（V））ながら、動画、静止画 Wide Dynamic Range Pixels and Column-Parallel それぞれに対応した機能を持つ。動画は走査線525 Digital Output 本で秒30フレームの能力を持ち、静止画は走査線 S. Decker, et al., MIT 1,050本で秒15フレームの撮影能力を持つ。いずれこのMITのCMOS撮像素子は、自動車の自動操もプログレッシブスキャンである。ディジタル・縦に用いるステレオビジョン用に開発された。道スチルカメラとビデオカメラの両用途を狙ったも路上では、明暗差が極めて大きいため非常に広いのと思われる。ダイナミックレンジが要求される。この素子は裸 1,050本モードと525本モードは、画素情報の入のアナログ特性のみに頼らず、センサ部のバリアれ換えで対応している。1,050本モードではそのまを可変構造にすることで、必要な部分のみの特性ま読み出し、525本モードでは1行置いた先にあるを変えるという機能を実現した。電荷の蓄積状況同じ色情報を加算している。駆動クロックを工夫に合わせて、余分な電荷を捨てることで飽和を防することで両モードを実現したと見られる。素子いでいる。素子内にはA-Dコンバータが置かれ、としての工夫には、半導体形成方式の工夫により結果はディジタルデータとして取り出せる。フレポテンシャルのポケットが生じることを防いでいーム数は、30fpsから390fpsまで可変となっている。るものがある。これにより低電圧で駆動する際にこの素子は、0.8μｍの単層ポリシリコン3層メ電子移動が妨げられる現象が軽減されている。タルCMOSで製造された。毎秒30フレームの場合白黒用に作った同等の素子では、水平、垂直とで消費電力は52mWである。試作した素子で撮影も1,000TV本の解像度を実現した。素子寸法は、した画像が示されたが、リニアな取り込みでは飽 8.7×7.1mm2。消費電力は147mW（2.5V駆動時）と和している部分が、可変構造のおかげで欠損なくなっている。取り込まれている様子が示された。リニアな場合でダイナミックレンジは70dB、圧縮をかけた場合 FA11.7: A 1mm 50k-Pixel IT CCD Image Sensor は96dBまで拡大されるとのことである。 for Miniature Camera System K. Itakura, et al., Matsushita Electronics FA11.6: A 1/2inch 1.3M-Pixel Progressive-Scan ITCCD for Still and Motion Picture Applications T.Yamada, et al., NEC Corporation CCDの発表は、昨年も130万画素でプログレッシ Corporation 松下電器産業が発表したこのCCD素子は、チップ寸法は1.1×1.34mm 2、組み上がった状態でも 1.2×1.5mm 2と非常に小さい。同社は、この小型 CCD技術をビデオカメラ以外の分野で使いたい模様だ。同社によれば、97年の素子市場規模はビデオ機材1,000万個、PC用300万個、PDA用100万個、ディジタル・スチルカメラ用200万個、監視用100万個、その他240万個とのことである。これが、2005 年には、ビデオ用1,500万個、PC用2,500万個、PDA 用5,000万個、ディジタル・スチルカメラ用1,200万個、監視用700万個、その他2,400万個が見込まれる。ビデオカメラ用以外の市場の伸びが圧倒的に大きいため、そちらに注目した結果の一つが、この超小型素子なのであろう。従来のパッケージン NEC1/2インチ 130万画素CCD グでは、全体の外形寸法が大きくなるが、チップ March 1998︱ 23 L／たこさん取材 98.3.4 10:50 AM ページ 24 (1,1) のが同一画素数で用意されていることから見てもすぐに実用化を目指したものでない。それゆえに、素子上には目立った機能ユニットは見当たらない。欧米のCMOSが商品化を念頭に置いて高機能化しているのとは対照的であるが、基礎を押さえようという方向は重要なものであると言える。この素子は、総合画素数は70万近くに達している。発表者は「ディジタルスチルカメラのユーザは高画素を求めている」と述べており、その分野への投入を狙ったものと見られる。試作品は、0.6μmの3層ポリシリコン2層メタル CMOSで製造された。3.3V単一電源で30 mW以下の消費電力である。東芝CMOSイメージセンサ ■ 巧みな欧米勢のプレゼンイメージセンサのセッションは、マリオットホを直接フレキシブルテープに接着することで小型テルのボールルームの4分の1程度を使ったもので化を成し遂げている。ピクセル寸法は4×4μm2で、あった。1月のMACWORLDでは、このボールルー従来の5×5μm より大幅に縮小された。トータルム全部を使っても立ち見が出たが、ISSCCには4分の画素数は231（H）×217（V）、解像度は水平がの1は手ごろな広さと言える。会場は、ほぼ満員に 200TV本、垂直が160TV本（いずれも理論値）、消なった。 2 ISSCCは、比較的製品発表や技術発表に近い種費電力は5mWとのことである。類の学会2）であるため、発表者も研究者というよ FA11.8: A 3.7×3.7ı 2 Square Pixel CMOS Image Sensor for Digital Still Camera Application りも技術者3）に近い。そのせいか、欧米の発表者は発表の組み立てが巧みで、最も強調すべき点に Hisanori Ihara, et al., Toshiba Corp. 東芝は、日本のメーカとしてはCMOS撮像素子に熱心である。今回発表されたものは、実験用の色合いが濃いが世界最小のセル寸法を実現している。この素子で使用に適したセルレイアウトパターンを探すため、16種類のも会場となったサンフランシスコ・マリオット。来年もここで開催される。 2）より製品発表に近いのは「HotChips」であろう。一方、非常に理論的で研究段階のものを発表する学会もある。 3）特に日本メーカは、論文執筆者の多さからも「開発」と言えよう。「研究」ならばあのような大人数になるとは思えないからである。 24 ︱eizojoho industrial L／たこさん取材 98.3.4 10:51 AM ページ 25 (1,1) 話をスムーズに持ってゆく。スライドはシンプルのポジティブな展開があることを質問者は期待しに記述されたものでも効果的に情報を伝えている。てしまう。せっかくの開発成果は、最後までしっ残念ながら日本の発表者達は、この意味でプレゼかりと伝えて欲しいものである。ンテーション技術に劣る。論文発表を演説口調で撮像素子は、ISSCCにおいてはCMOSに勢いがあ行うのは論外な行為としても、普通の「技術者英る。高画質の分野ではCCDに利があるが、システ語」が話せれば通じるので、後は発表の組み立てム化によるコスト削減にはCMOSに歩があるよう方を練習して欲しいものと感じた。また、質疑応に思える。特に、PCへの利用は価格がすべてのコ答が苦手なのは分かるが、これにもこなし方があスト第一の世界であり、安定した性能が得られれる。たとえば、発表者は「企業秘密なので答えらば市場への供給が始まるように感じられた。れない」と言いたくても、「That is essential.」（それは本質的なことだ）と答えては、その後に何らかなお、ISSCC99は来年2月15日から17日まで、同じサンフランシスコ・マリオットで開催される。 ※お申し込みは、郵便振替用紙(00110-214817番)、電話、申し込みはがきにて直接弊社までご一報下さい。 ◎お問い合わせ、お申し込みは… ［発行：産業開発機構㈱］ ○月刊「映像情報メディカル」〒101-0024 東京都千代田区神田和泉町1-1 （西川パーキングビル） 1冊 12冊(年間) 1,800円(送料別) 21,600円(送料弊社負担) March 1998︱ 25