iPhone 16にサムスン製のCMOSイメージセンサーが採用される可能性　Appleは2025年に2nmプロセスのチップに移行する計画

iPhone 16にサムスン製のCMOSイメージセンサーが採用される可能性

2024年に発売予定のiPhone 16にサムスン製のCMOSイメージセンサーが採用される可能性があるという報道があります。アップルは現在、サムスンのSystem LSI事業部が提供したCMOSイメージセンサーの最終品質評価を行っており、このセンサーはiPhone 16のメインカメラに使用される予定です
これまでアップルはiPhoneのイメージセンサーをソニーから独占的に調達してきましたが、新技術の導入や信頼性への懸念から、サムスンへの切り替えを検討しているようです。サムスンとの提携の背景には、ソニーが昨年、新しいイメージセンサーを適切なタイミングで提供できなかったことがあるとされています
サムスンが開発した新しいイメージセンサーは、フォトダイオード、トランジスタ、アナログデジタルコンバーターロジックをそれぞれ搭載した3層構造を持ち、小型化やデータ転送速度の向上が期待されています1。この技術革新は、iPhoneのカメラ性能をさらに向上させる可能性があります。
サムスンの新しいイメージセンサー技術については、D-VTG（Dual Vertical Transfer Gate）という新しいピクセル構造が核心的な要素であり、非常に明るい環境でも各ピクセルのカラーとディテールをより鮮明に表現できるとされています2。この技術は、ISOCELL HP2という2億ピクセルイメージセンサーにも適用されており、超高解像度の写真撮影が可能です2。
今後のiPhone 16の発表に向けて、サムスン製CMOSイメージセンサーの採用が確定すれば、アップルとサムスンの間で新たな協力関係が築かれることになり、市場に大きな影響を与えることでしょう。

説明1）CMOSイメージセンサーは、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）技術を用いた固体撮像素子です。CCD（Charge-Coupled Device）イメージセンサーと同様に、フォトダイオードを使用して光を電気信号に変換しますが、製造プロセスと信号の読み出し方法が異なります1。
CMOSイメージセンサーの特徴は以下の通りです：
単位セルごとに増幅器を持つ: 各ピクセルに増幅器が組み込まれており、光を電気信号に変換した後の読み出しによるノイズの発生を抑えることができます
大量生産が可能: CMOSロジックLSI製造プロセスの応用により、大量生産が可能で、CCDイメージセンサーと比較して安価です
消費電力が少ない: 素子が小さいため、消費電力が少なく、スミアやブルーミングが発生しにくいです
高速読み出しが可能: 数百MHzでの高速読み出しを行うことができます
画像処理回路のオンチップ化: ロジック回路を同一製造プロセスで組み込むことが可能で、画像認識デバイスへの応用が研究されています1。
一方で、低照度状況ではノイズが多くなる傾向があり、各増幅器の特性差による固定パターンのノイズを持つため、補正する回路が必要になります。また、ローリングシャッター現象という、高速に動くものを撮影したときに像が歪む問題がありますが、読み出し速度の向上により改善されています
CMOSイメージセンサーは、デジタルカメラやスマートフォン、ビデオカメラなど、多くのデバイスで広く使用されており、近年ではデジタル一眼レフカメラにも採用されることが多くなっています
説明2）サムスンが開発した新しいCMOSイメージセンサーは、3層構造を採用しており、それぞれの層にフォトダイオード、トランジスタ、アナログデジタルコンバーターロジックが搭載されています。この構造により、センサーの小型化とデータ転送速度の向上が期待されています
具体的には、以下のような特徴があります：
フォトダイオード層: 光を電気信号に変換する役割を持ちます。この層が光を受け取り、それを電子に変換することで画像データの生成が始まります。
トランジスタ層: 電気信号の増幅や処理を行います。フォトダイオードからの信号を適切なレベルに増幅し、ノイズを抑えながら信号を清浄化します。
アナログデジタルコンバーターロジック層: アナログ信号をデジタル信号に変換します。この変換により、デジタルデバイスで扱える形式の画像データが得られます。
この3層構造により、各層が特定の機能に特化することができ、全体としてのセンサーの性能が向上します。

サムスンの新しいイメージセンサー技術、D-VTG（Dual Vertical Transfer Gate）は、イメージセンサーのピクセル構造を革新するもので、特に明るい環境下でのカラーとディテールの表現を向上させることができます1。D-VTGは、ピクセル内のフォトダイオードから回路に電子を移動させる垂直構造のゲートを2つ配置し、電子信号の伝達効率を最大化する技術です。これにより、ピクセルのフルウェル容量が33%以上増加し、色彩表現力と画質がさらに向上します1
この技術はISOCELL HP2イメージセンサーに適用されており、2億ピクセルの超高解像度写真撮影を可能にします。ISOCELL HP2は、0.6μmの画素サイズを持ち、1/1.3インチの光学フォーマットで、高度なピクセルビニング技術であるTetra²pixelを採用しています。これにより、低照度環境でも鮮明な画像を提供し、8K動画撮影時には1.2μm 50MPモードを活用して豊かなディテールのスムーズな動画を録画できます
サムスンの新しいイメージセンサー技術、D-VTG（Dual Vertical Transfer Gate）は、イメージセンサーのピクセル構造を革新するもので、特に明るい環境下でのカラーとディテールの表現を向上させることができます1。D-VTGは、ピクセル内のフォトダイオードから回路に電子を移動させる垂直構造のゲートを2つ配置し、電子信号の伝達効率を最大化する技術です。これにより、ピクセルのフルウェル容量が33%以上増加し、色彩表現力と画質がさらに向上します1。
この技術はISOCELL HP2イメージセンサーに適用されており、2億ピクセルの超高解像度写真撮影を可能にします。ISOCELL HP2は、0.6μmの画素サイズを持ち、1/1.3インチの光学フォーマットで、高度なピクセルビニング技術であるTetra²pixelを採用しています。これにより、低照度環境でも鮮明な画像を提供し、8K動画撮影時には1.2μm 50MPモードを活用して豊かなディテールのスムーズな動画を録画できます。
説明3）アップルがサムスンと提携して新しいイメージセンサーを採用する背景には、ソニーが昨年、新しいイメージセンサーを適切なタイミングで提供できなかったという問題があります。報道によると、ソニー製のイメージセンサーの歩留まり率が低く、その影響でiPhoneの製造台数が制約を受けていたとされています。
アップルはこれまでイメージセンサーをソニーから独占的に調達していましたが、供給不足のリスクを回避するため、また新技術を導入するために、サムスンとの提携を検討しているようです。サムスンのイメージセンサーは現在、アップルの最終品質評価を実施中であり、この評価に合格すればiPhone 16シリーズに搭載される可能性が高いです。

報道によると、TSMCは2nmプロセスの試験生産を台湾北部の宝山工場で行う予定です。2nmプロセスの生産設備は、今年の第2四半期（4月〜6月）に導入され、

Appleは2025年に2nmプロセスのチップに移行する計画

を立てているとされています
この2nmプロセスは、チップの性能と省エネルギー性を大幅に向上させることが期待されており、Appleの次世代デバイスに大きな影響を与える可能性があります。TSMCは、2nmプロセスの試験生産を予定よりも早く開始し、安定した歩留まり率を確保するための準備を進めていると報じられています
Appleは、iPhone 17シリーズに2nmプロセスのチップを搭載する予定であり、これによりデバイスのパフォーマンスがさらに向上することが予想されます。また、TSMCは2nmプロセスにゲートオールアラウンド（GAA）技術を導入する計画であり、これがチップの性能と電力効率をさらに高めることに寄与するでしょう
Appleが2nmプロセスに移行することは、チップの性能と効率に大きな影響を与えるでしょう。3nmプロセスと比較して、10〜15%のパフォーマンス向上と、最大30%の消費電力削減が見込まれています。これは、トランジスタの密度が高くなり、チップのサイズが小さくなることで、より多くの計算処理をより少ないエネルギーで行えるようになるためです。
2025年に発売されるとされるiPhone 17シリーズが2nmプロセスで製造されたチップを搭載すれば、そのパフォーマンスは現行モデルを大きく上回ることになります。これにより、ユーザーはより高速なアプリケーションの実行、改善されたバッテリー寿命、そして新しい機能の利用が可能になると期待されています。
この技術的進歩は、スマートフォン市場におけるAppleの競争力をさらに強化し、消費者にとっても魅力的な進化となるでしょう。

補足）トランジスタの密度が高くなり、チップのサイズが小さくなることで、より多くの計算処理をより少ないエネルギーで行えるようになるため　詳しく説明して

トランジスタの密度が高くなり、チップのサイズが小さくなると、計算処理のエネルギー効率が向上する理由は、以下の点に集約されます：
電気抵抗の低減: チップの微細化により、トランジスタ間の配線が短くなり、電気抵抗が小さくなります。これにより、チップ全体の発熱量が減少し、エネルギー効率が向上します1。
電圧の低下: トランジスタが小さくなると、より小さな電圧で動作できるようになります。小型のトランジスタは、同じ電圧をかけた場合、デバイスが小さくなった分だけ電界（電圧÷距離）が大きくなるため、電源電圧も下げる必要があります。これにより、消費電力が低下します
スイッチング速度の向上: トランジスタのサイズが小さくなると、電子が移動する距離が短くなります。これにより、チップ上でのデータ処理速度が向上し、より多くの計算処理を高速に行うことができます
集積度の向上: チップのサイズが小さくなると、同じ面積により多くのトランジスタを配置できます。これにより、チップの計算能力が向上し、複雑なタスクを効率的に処理できるようになります
熱管理の改善: 小型化により、チップの冷却が容易になります。部品が小型化すれば、単位体積当たりの損失が同じなら、体積が減少することで発熱量も下がり、放熱の必要性が低下します
これらの要因により、2nmプロセスに移行することで、Appleは3nmプロセスと比較して、10〜15%のパフォーマンス向上と最大30%の消費電力削減を実現することが期待されています。この進歩は、2025年に発売されるiPhone 17シリーズに搭載されるチップによって、ユーザーにとってより高速で省エネルギーなデバイスの利用を可能にするでしょう。

補足2）トランジスタとは？
トランジスタは、電子回路において信号を増幅したり、スイッチのようにON/OFFしたりすることができる半導体素子です。1940年代末に実用化され、真空管に代わってエレクトロニクスの主役となりました。トランジスタは、集積回路（IC）の多くを構成する微細なトランジスタの集合体であり、CPUやMPUに内蔵されているトランジスタの数は増え続けています
トランジスタは、コレクタ端子、エミッタ端子、ベース端子の3つの端子から構成されており、以下の2つの主な役割を持っています：
電流を増幅する: ベース端子にわずかな電流を流すことで、コレクタからエミッタに大きな電流を流すことができます。これにより、小さな信号を大きくすることが可能です。
スイッチのようにON/OFFする: ベース端子に電流を流すか流さないかによって、コレクタとエミッタの間の電流を制御することができます。これにより、電子回路におけるスイッチとして機能します。
トランジスタは、NPN型とPNP型の2種類があり、どちらも同じ基本的な機能を持ちますが、電流の流れる方向が異なります。NPN型トランジスタでは、ベース端子に正の電圧を加えることで動作し、PNP型トランジスタでは逆の電圧を加えることで動作します

補足3）TSMCが2nmプロセスに導入するゲートオールアラウンド（GAA）技術は、従来のフィンFETトランジスタに代わる新しいトランジスタ構造です。GAA技術は、特にナノシート型トランジスタとして知られており、チャネルがゲートに完全に囲まれているため、リーク電流を減少させることができます
GAAトランジスタの主な特徴は以下の通りです：
リーク電流の低減: ゲートがチャネルを全方位から囲むことで、オフ状態のトランジスタのリーク電流が減少します。
ドライブ電流の調整: チャネルの幅を調整することで、ドライブ電流を増加させ、パフォーマンスを向上させるか、または電力消費を最小化することができます。
バックサイドパワーレール: 2nmプロセスでは、バックサイドパワーデリバリーを使用して、ナノシートトランジスタに十分な電力を供給し、それを無駄にしないようにします。
これらの特徴により、2nmプロセスは、同じパワーで10%から15%高いパフォーマンスを提供し、同じ周波数とトランジスタ数で25%から30%低い電力消費を実現するとされています2。また、TSMCは2nmプロセスの歩留まりが80%を超えることを明らかにしており、2025年後半に量産体制に入る予定です
GAA技術の導入は、半導体業界における大きな進歩であり、今後のデバイスの性能向上に大きく寄与することが期待されています