Чипы памяти – лучшая замена матриц цифровых камер

Как можно сделать матрицы – наиболее сложные и дорогостоящие элементы цифровых камер – более дешёвыми и простыми в изготовлении? Очень просто: использовать чипы памяти. Это не странная идея плохо разбирающихся в микроэлектронике псевдоучёных, а реальный проект, над которым работает команда во главе с Эдоардо Кэрбоном (Edoardo Charbon) из Делфтского технического университета (Technical University of Delft) в Нидерландах. В статье, представленной на конференции в Киото, Япония, исследователи заявляют, что их так называемый "гигачувствительный" сенсор проложит путь мобильным телефонам и другим относительно недорогим гаджетам к более качественным снимкам, чем у сегодняшних устройств. Что важно, результат съёмки улучшится как при ярком свете, так и при его недостатке. Такие условия зачастую являются проблемными для простых цифровых аппаратов.

В то время, как идея учёного нова и ждёт своей очереди на получение патента, лежащий в её основе принцип известен. Давно установлено, что чипы памяти очень чувствительны к свету: если убрать пластиковый корпус и подставить полупроводниковое устройство под солнечное излучение, попадающие на него фотоны будут возбуждать электроны, создавая ток в каждой ячейке памяти. В свою очередь, ток будет разрушать небольшой хранящийся там заряд, а значит и цифровую информацию. "Свет просто уничтожает информацию", - говорит Мартин Веттерли (Martin Vetterli) из Федерального политехнического института Лозанны (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL). Приблизительно такой же эффект происходит на космическом корабле: когда высокоэнергетическое космическое излучение проникает в ячейку незащищённого чипа, оно "сбрасывает" состояние памяти, повреждая хранимые в ней данные. Кэрбон с коллегами обнаружили, что если тщательно сфокусировать свет на полупроводниковой схеме памяти, заряд в каждой ячейке будет соответствовать состоянию её освещённости. Таким образом, появляется возможность хранить цифровое изображение.

Два типа матриц в сегодняшних камерах удерживают значение яркости каждого пикселя в виде аналогового сигнала. Чтобы конвертировать его в форму, пригодную для хранения в цифровом виде, необходимы комплексные, крупные и вносящие фактор шума схемы. ПЗС-сенсоры (приборы с зарядовой связью, CCD) и более дешёвые и современные КМОП (комплиментарный металл-оксид-полупроводник, CMOS) функционируют по сходному принципу. Область отдельного пикселя может быть представлена как небольшая содержащая заряд ёмкость. Его объём зависит от количества падающего на пиксель света. В ПЗС содержимое каждого элемента "перетекает" в соседний, и так до достижения выхода схемы. Затем аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) определяет уровень напряжения сигнала по 8-битной шкале со значениями от 0 до 255. В КМОП заряд конвертируется в локальное напряжение на каждом пикселе перед попаданием на АЦП, где происходит аналогичный предыдущему случаю процесс. Но дело в том, что чип памяти не нуждается в преобразователе, поскольку данные в нём представлены в цифровой форме изначально. В результате, говорит Веттерли, ячейка памяти будет в 100 раз меньше элементов КМОП-сенсора, ограниченного в снижении размеров большим количеством формирующих сигнал транзисторов вокруг каждого пикселя. "Наша технология всегда будет на два порядка меньше", - уверен Веттерли.

Итак, на каждый пиксель сегодняшних матриц сенсор на базе микросхем памяти может иметь 100. Чип размером с 10-Мп матрицу будет содержать в 100 раз больше чувствительных элементов – вот откуда слово "гигачувствительный". Однако работа над проектом не означает скорое появление гигапиксельных камер. В отличие от обычных сенсоров с 8-битной градацией, ячейки разработки Кэрбона являются устройствами с двумя состояниями: включено и выключено, то есть хранят 0 или 1, вне зависимости от степени освещённости. Чтобы создать воспринимающий уровни оттенков сенсор, инженер из EPFL Фенг Янг (Feng Yang) написал программный алгоритм, который обрабатывает массив из 100 пикселей и устанавливает общее значение. Эта техника носит название пространственной выборки при дискретизации (spatial oversampling) и находится на ранней стадии развития. "Она намного более точна, чем получаемые на обычном КМОП значения, - говорит Виттерли. – Аналогово-цифровое преобразование даёт только приблизительную оценку реального значения освещённости".

Команда из EPFL выявила, что чем больше пикселей содержит устройство, тем лучше чип проявляет себя в формировании глубоких теней и ярких участков изображения. По словам учёного, данный проект - это не простой академический интерес. Исследователи надеются уже в текущем году получить изготовленную большую версию чипа памяти, а полностью рабочий вариант – в следующем. Как считают обозреватели, перспективы не так уж очевидны. Главная проблема состоит в низкой чувствительности пикселей. Их малые габариты означают меньшее количество попадающих на них фотонов, а следовательно и более зашумлённый сигнал. Но идея производить матрицы для камер настолько дешёвые и простые, как чипы памяти, не может не привлекать внимание, уверен аналитик и исполнительный директор консалтинговой компании Future Image: "Будет очень интересно, если они смогут создать подобные сенсоры с помощью обычной технологии производства чипов памяти".