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光学指纹识别让思立微成为 “屏下”焦点

时间:2018-12-11 阅读:
手机全面屏的流行和OPPO R17的发布成就了一直默默在幕后做触控和指纹识别芯片的思立微,这家由清华学子创办的芯片设计公司不但是兆易创新宏伟扩张计划的收购标的,最近也成为其竞争对手汇顶科技的专利诉讼对象。为此,电子工程专辑专门对思立微及近期相关事件进行了深度的采访调查,旨在为大家揭开思立微屏下指纹识别技术开发和并购重组的神秘面纱。
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多年来,国产手机品牌一直都是紧跟iPhone的脚步。但iPhone X的刘海屏和3D人脸识别却让大家犯了难。结构光和3D传感器技术对用户使用习惯的颠覆性改变,以及国内供应链难以短时间内达到成熟的现实让国内手机品牌难以及时跟进。这时,屏下光学指纹识别为手机厂商们带来了走自主创新之路的契机,一时间屏下指纹解锁成了一线品牌高端机型的应用重头戏。jvSEETC-电子工程专辑

目前,国内能够批量提供这种光学指纹识别芯片的厂商只有汇顶和思立微。继成为OPPO今年发布的旗舰机型R17的光学指纹供应商后,思立微更成为国内多家一线手机厂商青睐的指纹识别合作伙伴。而最近几个月,汇顶接二连三对思立微发起专利诉讼,更将一向保持低调的思立微推向风头浪尖。思立微究竟是一家什么样的公司呢?jvSEETC-电子工程专辑

清华学子的执着

上海思立微电子科技有限公司创始人程泰毅毕业于清华大学电子工程系,2011年在上海张江科技园创立了思立微。公司成立初期主要以电容触控芯片开发为主,从2014年开始推出指纹识别芯片,公司一直专注于人机交互传感器芯片及全套解决方案的研发。2016年凭借过硬的技术和产品成功进入手机一线品牌供应商阵营。jvSEETC-电子工程专辑

早在开发电容指纹识别芯片之时,基于对市场趋势的判断,思立微就开始与其股东之一格科微电子(国内最大的CMOS图像传感器芯片开发商)在光学指纹识别技术方面展开研发合作,完成了盖板下镜头阵列的光学指纹识别方案。但因电容指纹成本的快速下降和市场早期对屏下需求相对较弱,光学项目暂停了一年。到了2017年,随着全面屏的到来,屏下指纹解锁成了高端机型的突出卖点,思立微又重启了光学项目。基于格科微成熟的CIS工艺和产业链,加上思立微在指纹SoC和系统算法的经验,该项目研制的屏下光学指纹识别芯片很快就进入了商用,并于今年二季度成功量产。jvSEETC-电子工程专辑

OPPO R17让思立微从“幕后”走到“屏下”

R17是OPPO首款配置光感屏下指纹解锁的旗舰机型,所使用的指纹识别芯片就来自上海思立微。作为思立微第一个量产的屏下光学指纹项目,也是业界第一个使用调焦结构的单芯片指纹方案,思立微对此给予了高度重视。由公司副总裁亲自带领几十人的工程开发、算法应用、软件支持团队与客户团队封闭开发,共同完善整机的方案验证、功能开发、效果优化,从而成功保证了OPPO R17的顺利量产和持续升级。jvSEETC-电子工程专辑
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图一:OPPO R17光感指纹解锁 (来源:OPPO)jvSEETC-电子工程专辑

根据CCID 2017年度数据统计,思立微在全球指纹识别芯片市场排名第三位(苹果系列产品除外),而其电容触控芯片出货量为全球市场第四位。 公司2017年营收为4.50亿元,主要来自电容触控和电容指纹产品,而今年营收预期将超过6.0亿元,主要增长来自电容指纹市场份额上升和光学指纹产品。根据行业预计,未来2-3年屏下光学指纹解锁将成为安卓手机的主流,而目前只有汇顶和思立微这两家供应商已实现量产。随着屏下光学解锁进入千元机市场,相信两家公司在未来的几年内都将有不俗的业绩表现。jvSEETC-电子工程专辑

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表一:手机指纹识别芯片主要供应商jvSEETC-电子工程专辑

光学和超声“双管齐下”

思立微以电容触控芯片起家,现已成为平板市场的领头羊。在指纹识别方面,其电容和屏下光学指纹识别芯片都已量产出货,而正在开发中的超声指纹识别芯片也有望于明年投产。面对瞬息万变的市场需求,公司如何做出正确决策并合理分配有限的研发资源?这对于每一个技术型公司都是一个巨大的挑战。当时思立微站在指纹技术的十字路口,面临的残酷现实是新技术并没有明确的方向,而每个可能的方向都需要大量的资源投入。何时可商用,谁都不敢断言,因为这是技术和商业共同作用的结果,巨大的投入也可能一无所获。在屏下超声波与屏下光学两条技术路线上,思立微有超过四个方向并行开发,而且每个方向还分成若干个模块需要去攻关。jvSEETC-电子工程专辑

思立微表示,无论何种技术、产品及其产业链都需要时间才能完善。在电容方面,思立微花了3年时间进行自主技术方案的研发和完善;在超声技术方面,思立微也已进行了3年多的摸索,其商业前景将有赖产业链的逐渐完善。而光学指纹识别之所以能在短短2年内投入量产,除了思立微团队的自身努力,与合作伙伴格科微的大力支持也密不可分。现在量产的光学二代指纹是一种等同于微型摄像头模组的结构,是与一代指纹(小孔阵列、准直镜)同步启动开发的。早期客户将电池与光学指纹模组堆叠在一起,对指纹识别模组厚度的要求极其苛刻,只能选择小孔阵列或准直镜。而二代光学指纹方案今年异军突起,主要得益于客户改变了整机堆叠的方式,调整了电池尺寸为指纹模组留出了足够高的光路设计空间。思立微与格科微联手迅速完善了光学二代指纹方案,两家公司都拿出各自的优势,保证了客户的旗舰机型凸显3P镜头的光学透镜屏下指纹识别亮点,并将光学指纹解锁的热潮向前推进了一大步。jvSEETC-电子工程专辑
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图二:思立微屏下光学Microlens图(来源:思立微)jvSEETC-电子工程专辑

凭借对光学产品的透彻理解,思立微对产品规格做了精准的定义,率先将6.25um大像素、4mm2大面积区、微透镜阵列与成熟的电容指纹技术结合,推出了业内首颗单芯片光学指纹芯片。优秀的设计不仅省去了外挂芯片,节省了宝贵的整机空间,也大大加快了通讯效率,为实现快速解锁提供了可能。同时,思立微联合信利光电开发出短焦超广角的AA及螺纹调焦技术,做了大量的软件、设备及治具的研发工作,避免客户做屏幕、中框及指纹模组的适配,从而大幅提高了生产效率。jvSEETC-电子工程专辑

作为手机产业链上游的关键器件,指纹识别芯片研发周期比较长,公司必须能够看到未来3-5年的技术和市场发展趋势,提前布局才能占据主动。从人机交互和生物体征融合角度考量,相对于其它指纹识别方案,超声的优点在于皮肤穿透性更强,能够进行深层的皮下指纹识别且能够辨别活体,因而可实现安全性更高。此外,超声波方案不易受到油渍和水渍以及强光的干扰,解锁更加稳定可靠。jvSEETC-电子工程专辑

业界也认识到超声是指纹识别及多形态人机交互方式的一个重要方向,但其技术难度更大,而且配套的产业链还不成熟。目前只有高通推出了商用的超声指纹识别产品,而思立微已经在超声关键技术上取得突破,其自主研发的超声换能器已通过系列性能测试,在10MHz频点转换效率可达1.5%,表现出优异的性能,已经应用在思立微下一代超声指纹识别芯片的研发中。jvSEETC-电子工程专辑

思立微所采用的压电超声换能器(PMUT)利用氮化铝的压电效应进行电能和机械能之间的转换来侦测手指表皮和真皮层的谷脊信息,以做出精确的判断。在进行指纹识别应用时,给超声换能器施加交流电压,超声换能器产生振动,振动向上传输,即超声波向上传输,穿过不同介质层(屏幕,玻璃等)到达手指的谷或者脊,声波遇到脊的表面,部分反射,部分透射,而因为谷中空气的声阻抗远高于脊,所以声波遇到谷时几乎为全反射。从谷和脊反射回来的不同声波能量传到对应的超声换能器表面时,对应的超声换能器会生成不同的电学信号(幅值、频率、相位等)。jvSEETC-电子工程专辑

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图三:超声指纹识别原理示意图(来源:思立微)jvSEETC-电子工程专辑

通过声学聚焦的方法,将声波聚焦到手指表面,如果遇到手指的脊,部分声波反射回来,其余声波透射进入皮肤,这一部分声波遇到真皮层之后被再次反射回来;所以声波在遇到脊之后会在表皮和真皮层反射回来两个时间不同的信号;而在谷的地方,声波只有一次反射,而且是全反射信号。超声指纹识别方案就是通过这个方法来采集表皮和真皮的指纹信号,从而得到3D的指纹信息。jvSEETC-电子工程专辑

专利重在“质”,不在“量”

面对汇顶接二连三的专利诉讼,思立微刚开始确实“非常震惊”。诉讼突如其来,而且还是在跟兆易创新的重组合并这个节骨眼上。专利诉讼在高科技行业发展和市场竞争中并不鲜见,其背后实质上是商业利益的竞争。在仔细研究过这些诉讼涉及的产品和专利权利要求后,思立微认为“问题不大”。今年9月份汇顶对思立微发起的三宗诉讼所涉及的产品为同一款电容指纹芯片,涉诉三项专利分属信息处理电路设计、封装及终端系统实现,在所属领域皆为业界已非常通用的技术。在此三项专利申请日前,相关技术已存在于多项公开文献及应用于多款商业产品中。思立微也对这三项专利的创新性提出了质疑,并拟对其申请宣告专利无效。jvSEETC-电子工程专辑

11月新的诉讼涉及屏下光学指纹识别模组的实用新型专利,涉案专利主要在于模组结构,而非作为思立微核心技术的SoC设计和相关算法及软件。在思立微看来,这些涉及模组结构和工艺的技术其实已经是业界通用的做法,并没有特别突出的创新。而且,在专利申请之日前,思立微的产品已经进入量产状态。截止目前,客户的需求也并未受到影响。思立微一方面聘请专业的律师团队积极应诉,另一方面产品研发和客户供货仍顺利进行。jvSEETC-电子工程专辑

该公司自成立以来已经累计了100多项专利,核心部分都是先在国外申请,然后再申请国内专利。思立微一直秉持着对专利质量高要求的理念,除非是真正具有突破性创新的技术,否则公司内部对专利申请进行初步审核时就自行否决了,而不是片面地追求专利数量。jvSEETC-电子工程专辑

根据联合国世界知识产权组织日前发布的《世界知识产权指标》年度报告,2017年中国在专利、商标、工业品外观设计等类别的知识产权申请量位居世界第一。但其中大部分都是国内专利申请,而国际专利的申请量占比还比较小。在很多关键技术领域,比如IC设计和制造方面,还是受制于欧美国家。专利不能只看数量,其“含金量”更为重要。jvSEETC-电子工程专辑

专利是一把双刃剑,使用得当可以保护专利人的技术开发投入和利益,鼓励技术创新。但是,滥用专利也可能扼杀创新,阻碍行业的良性竞争和健康发展。在复杂的商业环境中,如何把握好分寸也是一门艺术。目前遭到的专利诉讼对思立微也是一个提醒:专利不但是技术保护手段,也有可能成为商业竞争的工具。jvSEETC-电子工程专辑

打造“平台型”芯片设计公司

为何思立微选择与兆易创新进行合并?相信很多人对此有不少疑惑。依思立微的技术实力、业务规模和发展前景,走独立IPO也是不错的选择。但笔者了解到,思立微选择合并不只是从财务角度考虑,而是着眼于中国半导体行业的未来发展,坚信与兆易创新合并以打造“平台型”IC公司是一个智慧的选择。jvSEETC-电子工程专辑
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根据中国半导体行业协会集成电路设计分会的最新统计,全国共有约1700家IC设计企业,预计2018年总销售额为2580亿元,约合380亿美元。最大的华为海思销售额也不过70亿美元,而美国高通一家公司2017年销售额就高达220亿美元。中国需要更多像高通、TI(年销售额150亿美元)和ADI(年销售额50亿美元)这样的“平台型”芯片公司,有着广泛的技术和产品线,以及宽泛的行业应用和客户群,这样才能在快速且竞争激烈的半导体市场保持稳定发展。这类公司都是经过多次策略性并购而发展起来的,兆易创新并购思立微就是一种策略性行业资源优化整合,相信将来中国半导体市场会有更多这类并购发生。jvSEETC-电子工程专辑

兆易创新的核心产品在于FLASH和MCU等通用型器件,客户相对分散,涉及的行业也很广泛。而思立微则正好相反,其核心产品是触控和指纹识别芯片,始终围绕智能人机交互应用,而且都是定制化程度比较高的产品。两家公司具有很强的互补性,合并后将会产生很大的协同效应。也许这是兆易创新往“平台型”IC设计公司发展的重要一步,高达17亿元的收购价更加体现了兆易创新“做大做强”的决心。思立微对于合并后公司的发展前景也很看好,不但可以加强公司在手机市场的竞争力,而且可以将技术扩展到安防和物联网等新兴领域,同时也有更多资源积极拓展海外市场。jvSEETC-电子工程专辑

结语

无论思立微、兆易创新,还是汇顶,都在各自领域凭借自主研发的技术,在国内乃至全球市场占据了一席之地。他们是中国众多Fabless IC设计公司的佼佼者,也代表着中国半导体产业的未来。我们也应该看到,在中国众多的IC设计企业中,年销售额过亿的不到200家。兼并收购是欧美半导体公司实现行业资源整合和快速做大做强的常用手段,也将是中国半导体公司发展壮大的必经之路。jvSEETC-电子工程专辑

另一方面,专利诉讼是高科技公司常见的商业竞争手段,苹果、三星和高通也是一边打官司,一边合作共进。一颗小小的指纹识别芯片也能造就出世界冠军来,公平竞争可以驱动创新,将指纹识别这块蛋糕做大,让参与者都受益。专利可以保护和激励创新者,但也可能成为恶意竞争的武器。如何用好这把“双刃剑”是中国科技企业在成长过程中必修的功课。jvSEETC-电子工程专辑

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