6亿像素光敏芯片诞生记
本故事是我某天夜里有幸跑到了2008到2030年间转了一圈看来的听来的,
南柯一梦,且莫当真,权当一笑,若有雷同,纯属巧合。
话说2020年在中华人民共和国123研究院456研究所789研究室诞生了一块代号forestwan1号的35mm光敏芯片。
一.新闻发布会
当天发布会热闹异常,下面只选择了一些重要的代表性问答。
1. 记者问:博士,听说您的这枚芯片主要为现行的数码相机而开发的,请介绍一下该芯片对数码相机的主要贡献。
答:我们知道相机从诞生那天开始就受两个因素的制约,一个是分辨率的问题,也就是我可以把片子放大到多大的问题,如果分辨率足够高,我们只需要一个鱼眼镜头把面前的所有图像全部拍回来,需要什么切取什么放大就够了;第二个制约因素是光的强度差和底片地宽容度,摄影的朋友都知道一般场景光大约有10挡光圈,而我们一般的银盐底片和数码底片可以记录下6挡光圈的光强度差别,所以选择合适的曝光是所以摄影师的必修课,也就是如何选择我们需要的细节层次,舍弃另外的细节。而我们的芯片主要突出贡献恰恰在这两方面,一个是高分辨率,我们在35mm芯片上实现了6亿像素;再一个就是光敏度和宽容度,极其微弱的光也可以被记录下来而且可以宽容10挡光圈的光强度差别,用这枚芯片,一般情况下只需要按下快门不需要考虑曝光的问题,所有我们看到的细节从最亮到最暗全都完整的纪录下来。
2. 记者问:博士,能否简单介绍一下您是如何实现上述两点的?
答:这个问题涉及科技机密,而且非专业人员也不好理解,不过我还是愿意向各位透漏一些。关于分辨率的问题也许你知道现在的半导体光刻技术已经到了光学分辨的极限1个微米,所以该技术又被称为微刻技术,现在的CCD和CMOS芯片在35mm尺寸最高分辨率是0.2亿像素就是微刻技术的极限,我想各位手中的相机大都是这种分辨率,而我们研究室发明了一种纳刻技术,所谓的纳刻技术,是指我们用聚焦电子束的纳米分辨率而不是聚焦激光得微米分辨率来刻蚀半导体,从而在35mm芯片上实现了6亿像素,这只是一个开始,具有60亿,600亿像素的forestwan2号芯片诞生也不会遥远。关于光敏度和宽容度,我们采用了一种新型的半导体材料而不是传统的硅,这种宽容度和光敏度都是这种新型半导体的本证性能。
3. 记者问:博士,请问您的研发动机是什么?
答:关于研发动机我在第一个问题里已经作了部分介绍,另外还有两个。一是相机幅面的问题,各位记者可能到知道35mm画幅是相机发展170多年历史选择的结果,可是随着数码CCD和CMOS芯片的诞生,数码相机的画幅现在简直有些乱七八糟,如果35mm画幅为标准的话,现在市场上有0.5画幅,也就是50mm画幅,号称什么小中幅相机,有3.0画幅,号称什么打鸟王相机,还有0.8, 1.0, 1.3, 1.5, 1.6, 1.7, 2.0画幅等等。我本人业余爱好摄影,在不同的画幅中跳荡的滋味实在不好受,不但有经济因素,而且有镜头的通用性问题,最为重要的是感觉的跳跃需要适应时间,这也解释了为什么好多被称为老顽固的摄影师只用35mm画幅,我想各位从事摄影的记者朋友理解这一点。再一个动机就是对极限对未知对真实的的好奇心吧,我想这是一切科学研究的原动力。
4. 记者问:我原来从事风景摄影,用中幅和大幅相机,携带非常不便,请问您能否制备中大画幅芯片,例如120画幅,满足风景摄影师们的需要?
答:大中幅相机的存在主要是受分辨率的限制,我们知道不管是银盐还是现在的芯片在35mm画幅上其最高分辨率大约是0.2亿像素,放大到正片上若保持300线的清晰度,只能放大到20英寸,可我们的专业风景摄影师有时候需要50英寸的正片,没办法所以拖着他们那笨重的中幅机,现在我们在35mm画幅上实现了6亿像素,可以放到600英寸而保持足够的清晰度,也就是可以放大到对角线15米的正片,你说我们还需要更大的芯片吗?他们还需不需要中大幅相机?
5. 记者问:现在的打鸟王相机很有市场,毕竟能用轻便的短镜头实现长焦的效果对体育鸟类天文摄影很重要,您怎么看待这个问题?
答:这个问题问得好,我刚才没有介绍这个芯片还有一个功能就是这六亿个像素我们可以通过软件随意选择控制那些起作用那些不起作用。你想用100mm焦距实现1000毫米的功能,简单,我只让芯片中央十分之一的区域发挥作用就可以了,当然没有免费午餐,你获得长焦的同时也就失去了6亿分辨率,只能用0.6亿像素,不过这些也足够了。
6. 记者问:我的照片不需要放大到600英寸,而且过高的分辨率会占用太多的空间。
答:这位记者可能你刚才没听清楚我的上一个回答,我说这个芯片还有一个功能就是这六亿个像素我们可以通过软件随意选择控制那些起作用那些不起作用,也就是说只要在6亿分辨率以内,你需要多少就可以用多少。
7. 记者问:接着上上个问题,博士,我是天体摄影爱好者不需要太高的分辨率,如果我用您芯片中部的百分之一那么用我的2000mm镜头原则上可以达到200000mm镜头的天文望远效果,是这样的吗?如果是这样问题是遥远的星星的光亮度在这么小的感光区域内能否成像?
答:是这样的,用这样的组合您不但可以看清月球上的山脉,太阳系的大多数行星您都可以拍摄。关于感光度问题请您放心,我在第一个问题回答中就介绍过因为我们用了特殊的新型半导体,该芯片的光敏度足够高。
8. 记者问:我是google地球—加利略系统的特派记者,从您刚才的介绍来看,如果我们采用这块芯片则可以把google地球—加利略系统的分辨率再提高3000倍以上了?现在我们公司提供帮客户寻找走失狗的服务,再小的物体我们公司就无能为力了,如果运用您提供的技术,那么我们google地球—加利略系统可以从卫星上帮客户寻找丢失的绣花针了?
答:你很聪明,原则上是这样的。等你们公司提供寻针服务时那么我们大海捞针的反义词可以更改为google寻针了,恭喜你们公司创造了一个新名词。
9. 记者问:博士,能否向我们透漏一下应用该芯片的新型相机具有哪些功能,价格大约多少,需要多长时间上市?
(这是主席台上有些窃窃私语的声音。。。)
答:就像在前几个问题回答中介绍的那样,我理想中的这种相机应该是一款全能相机,需要多大画幅就有多大画幅,需要多大像素就有——
(博士的发音被新闻发布会主持人打断,各位记者朋友,因为时间原因原因,今天的新闻发布会到此结束,谢谢大家。)
二.芯片研发花絮
为了攻关这枚芯片研究组的主要人员耗费了12年的心血,可谓是12年磨一片。可这12年光景可大不一样。
前5年那可是比登天还难啊,有好想法没有用,没钱啊。没钱就没人没设备没学生,不好开展工作。东求西告,东挪西凑,东借西借,求爷爷告奶奶,到处坐孙子。恩,最惨的时候连研究所的房租水电费都交不上,这个费用可不能拖,还好所里管后勤的那个老伯人好,给提供了一个废弃的仓库,整个课题组在这个仓库里做了2年研究。还好到5年底的时候终于有一些进展出了一点点结果,也就是出了一点点找钱的资本,靠这点资本支持着从而能够继续往下走。
第6到第10年日子也不好过,哪有公司能等的起5年啊,国家计划也就是5年5年的来,虽然美国有冥王星计划20来年,我们国家好像5年计划多一些,虽说是五年计划,最好第二年就给我出成果,成果出得越快越好,越大越好,大家都有好处。一听说你这个研究五七六年不一定出成果,谁敢批给你经费阿,还好申请了几个10来万的国家基础科研基金,另外几家大公司出过一些资金,可中间也是反反复复历经磨难啊,没有最后成果,中间成果再漂亮也难以结题,不过总算熬了过来。
最后这两年可大不一样啊,那可不是一个好字了得,不是天上地下的反差,天堂地狱的差别啊。有关方面在得知这枚芯片基本研制成功的消息后,纷纷送钱上门,现成的功劳谁不想要啊。从所里,院里,市科技处,市委,省科技局,国家教育部,科技部,国务院,到NASA, 联合国天体联合会,还有好多公司和民间组织都找上门来送钱。大部分都谢绝了,可有些部门不敢得罪阿,还想在这条路上走,所以就接受了。最后这两年相关的科研立项有123项,还好有些小的基金单位知道这边的应酬多,口头报告也就免了,书面报告是需要的,复制一下以前的立项报告和结题报告邮寄过去就把经费打过来了,可剩下的那些口头报告是要做的,做完报告还得赔同相关人员吃饭合影照相。平均每周一个开题报告,一个结题报告,作报告那自然都是形式不管立项还是结题那都是百分百通过。这123项经费统计折合人民币456亿元,那么多钱怎么花啊,上边愿意截流多少就多少吧,下来的先要把前十年欠的债加倍还上,然后认识的不认识的,只要是同一个单位的都分一分,再买些没有用的进口贵重仪器摆在一边跟人家照相的时候作背景。。。
刚开始有片刻清闲的时候,闷声自问一句,我这他妈的这还是在做科研吗?到底以前和现在哪个是天堂哪个是地狱?不过有的是银子了,有的是功名了,也难得清闲,难得清醒了,也就不再去追问这个问题了。忽然想到老郑的这句难得糊涂真他妈的有道理,也就跟着难得糊涂起来了。
三.新相机的诞生
在新闻发布会后,全社会都在期盼着这款具有6亿像素,上可观天,下可环地,可变片幅,可变像素,极大宽容度的新型相机的诞生。半年过去了,只有一款5000万像素的forestwan5普通全副相机推出, 让业界大跌眼镜,forestwan公司给出的解释是6亿像素的技术是存在的,可是成本太高,我们会抓紧努力,攻克难关降低成本,公司在不久的将来会推出高档底价的新型相机来回报客户。
后来公司果然向NASA, Google高价提供了几枚6亿像素的芯片,大家也就释然,这种技术确实存在,出了太贵也没几个人买的起。而且,慢慢的forestwan公司推出了forestwan10A,forestwan5B, forestwan3C。。。来供风景体育动物天体等等不同的摄影爱好者使用,还有什么金装银装版本,金属机身塑料机身等等不同选择,自然价位也拉开档次了,按照公司的解释是,技术在不停的进步,而且不同的消费者具有不同的需要。
3年过去了,有个别别的公司绕过了微刻技术壁垒,也能生产近亿像素的芯片了,forestwan公司也相应的推出了forestwan30A, forestwan20B, forestwan15F等等类型的相机,而且有时在对手公司逼得进了,来不及推出新的机型,forestwan公司就会向某些上年发布的老机型免费提供一些小软件运行一下,forestwan5B陡身一变立刻具备了forestwan25F的功能。
10年过去了,虽然forestwan公司推出了多达50款的相机,每种功能都不一样,可是大家翘首等待的那个6亿像素轻便按两个按钮就可以调节分辨率和片幅的全能35mm相机forestwan60ABCDEFGH一直没有上市,当然别的公司也还没有这个技术。那个具有60亿600亿分辨率的forestwan2号芯片更是连影子也没有,那个博士在公众面前也再没有漏过面,只是在大家的谣言中不时地出现。
四.谣言
这10年间各种谣言一直流传不停。2030年的某一天中午在一家小面馆里几位干瘦学者模样的人一边吃面一边聊起了这件事情。
一位说听说这项6亿像素的芯片低价格生产技术在10年前新闻发布会的那天就已经存在了,公司为了经济利益,才点点滴滴根据市场需求和竞争对手的动态推出相应的相机,那个博士真黑啊。
另一位接口说那个博士?他算什么,一个科研人员而已,他哪有能力管理决策那么大的公司和市场,而且那天新闻发布会上他说过的新相机。
又有一人接口说,就是有管理能力,也轮不到他,借他的名字挂挂就不错了。
另一人接口道,他的名字据说当时差点被一位富家公子给买断了呢,不过那位博士觉得自己这10多年不容易,拚着与这枚芯片同生死的决心才保了下来。
说的大家嘘声一片
第一个人又说其实这里边不止有经济利益,还有政治因素,国家安全等因素,听说那个博士跟上边争吵过一次就不知所踪了;
又有人接口说听说那家伙被软禁在非洲的一个原始森林里,现在说不定正在用他那6亿像素的全能相机打蜂鸟呢。
大家说到这里都哈哈大笑起来,我也从他们的笑声中醒了过来,起床把这些文字整理记录下来。
[故事终]
附录介绍一下半导体和相机的技术补充
半导体
现在或者不远的将来制约半导体技术与工业发展主要有三个科学瓶颈
一个是光刻技术的极限
一个是硅的本征性质限制
还有一个我文中没有介绍,量子效应,对一般半导体材料来说当器件尺寸小于100纳米时,现在半导体用的物理规则不再适用,需要考虑量子效应新的规则。
现在半导体体科学在这三个方面都有非常多的研究,每个方面都有不少进展,像用化学自组装可以突破光刻技术的极限,三五族化合物替代硅,量子计算也已经可以运用,所以现在已经在实验室中实现了量子计算机,光子计算机。
但是在看得到的将来,这些科学都是无法技术产业化,所以最近10年左右我们会看到双芯片甚至多芯片计算机的推广和普及,而不再是像我们记忆中的计算机性能一直按照摩尔效应快速的提高性能(386,486,奔腾133M,奔三,奔四,等等,现在市场上较快的可能是4G的CPU了,我不知道我们能不能看到10G, 20G的CPU, 但很确定我们会看到两个4G的双CPU计算机)。
相机
制约相机技术发展的也有三个科学瓶颈
一个是底片的分辨率
一个是底片的宽容度
还有一个我文中没有介绍的,是镜头的分辨率问题。
银盐技术随着相机诞生也已经应用发展了150多年,已经到了其极限,最好最贵的底片在最理想的所有条件下在35mm片副上可以记录5000万点的信息,也就是5000万像素,可因为现实的限制,如曝光等问题这5000万点能有2000万发挥作用就不错了。而占半导体科技的光,数码底片的诞生让我们看到了希望,从刚开始的几万像素,到现在的近两千万像素。可问题是既然沾光了,也同样受其制约,现在的半导体技术虽诞生和没多少年,可已经接近现在科学的极限。
宽容度问题,也是同样的,最最好的胶片最最好的数码底片的宽容度也达不到10挡光圈,而我们平时见到的景象光的强度差别却有10挡光圈。10挡光圈的意思是指光的强度差别从最强的光到最弱的光有2的10次方。银盐底片看来是没什么大希望了,数码底片呢,用硅希望也不大,只能寄希望于新型半导体材料的开发。跟宽容度相关而不相同的另一个因素是灵敏度问题,到底最少需要多少光彩可以让底片曝光的问题。
镜头的分辨率问题,我文中为了集中主题没有涉及。因为相机是由底片和镜头两部分构成,所以这个问题不可逃避。镜头分辨率一般用多少线每毫米表示,一般来说50标头具有相对较高的分辨率,佳能的EF50/1.4也只具有130线/mm的分辨率,远远不能与上亿像素的芯片匹配。除了镜头分辨率,还有色差,像场畸变等问题,这些问题涉及玻璃性能,镜头设计和可见光的衍射极限,看得见的未来很难有大的突破。
正是因为相机是由底片和镜头两部分构成,这个也揭示了为什么德国领跑镜头技术,美国领跑半导体技术,而两项兼修的日本霸占了数码相机的世界市场,自然被拖在后边的我们中国只有消费的份。