論無反 | 佳能真的是還在擠牙膏嗎?

之前在

如何評價索尼新出的A7M3?www.zhihu.com圖標

這個問題說了一下佳能索尼的現狀以及究竟誰在優哉游哉擠牙膏有好東西不上產品這個問題,招來一堆人均至少手持一萬股的股東,由於原始表述過於散碎而且都清了,在這裡我就系統的整理一下,說說目前佳能和索尼究竟差在哪裡,為什麼說高性能無反(哪怕類似A7M3這種索尼自己宣稱的「入門機」)也不是佳能想做就能做的。

可能大家都覺得佳能現在乾的事情是:

然而實際上是:

有些人覺得佳能索尼的技術差距表現在「高感」、「寬容度」這些畫質因素上,然而實際上制約佳能發展的並不是這個。要了解這個問題,首先要明白無反和單反的區別是什麼

  • 無反沒有反光板/五稜鏡
  • 無反可以沒有(注意這裡)機械快門
  • 無反沒有獨立的測光和對焦模塊

至於體積、功能、卡口、法蘭距、品牌……那都是附帶效果,核心差異就是上面這三點。

當然你買到手的無反肯定是能拍單幀照片/多幀視頻的(有快門)、肯定是能取景的(有組件實現OVF的功能),肯定也是能對焦測光的(有組件實現獨立對焦和測光模塊的功能)。既然沒有這些組件,又能實現這些功能,肯定都不是神仙下凡,這些功能實際上在無反當中都落在了主CMOS上。

我們先來看一下這些組件的實際功能:

  • 機械快門

有人肯定有疑問,既然CMOS都自帶電子快門,那麼為什麼還需要額外的機械快門?原因是因為傳統CMOS的電子快門從上到下刷新一次的時間實在是太長了(A7R3這種已經能算高速CMOS的也有1/13s),直接用電子快門讀取果凍嚴重。所以都配了一個高速刷新的鏡間快門或者捲簾快門,首先機械快門高速的上下刷新一次,把高速的影像「凝固」住,然後CMOS慢慢讀取(這時候CMOS讀取速度的快慢並不會影響性能)

焦平面快門示意

以索尼A9為代表的高速CMOS機型可以用全電子快門,是因為它的CMOS刷新速度快(刷完直接扔進DRAM,不受匯流排制約),電子快門刷完一個周期只需要1/160s,保留機械快門只為拱一檔閃光同步,日常不用燈的話全電子快門毫無問題(關鍵詞:刷新速度)

索尼A9讀取流程示意

  • 對焦、測光

片上式和獨立式相位檢測的原理我們之前講過

小P說相機:對焦是怎樣煉成的 | 鍵攝者說⑧zhuanlan.zhihu.com圖標

但實際上還有一個區別,就是獨立式相位檢測是一個幾百幾千最多幾萬像素的小線陣CCD組,可以獨立開關組合,線陣CCD工作的時候主CMOS不通電,此時整部相機的續航與CMOS無關。片上式相位檢測就不一樣了,取景和對焦都在耗電,主感測器的功耗決定了你這部相機究竟能續多久。

以及文中有提到,CMOS的刷新速度直接決定了片上相位檢測的連拍追焦性能。

測光也是同理。

(關鍵詞:功耗、刷新速度)

  • 取景

取景對於無反來說本質上就是拍視頻,只不過是小尺寸(幾十萬像素)的視頻而已。所以依然是主CMOS讀速決定性能,功耗決定續航。

所以我們就可以發現了,寬容度和高感這種畫質方面的性能根本就不是單反和無反感測器的區別,在單反上面無關緊要的CMOS讀速(有機械快門罩著,早期單反視頻功能也比較爛)和功耗(有OVF和獨立對焦模塊,靜態功耗極低)兩個方面,無反對於它們的需求反而是無底洞——索尼對焦不行、電池辣雞這種當年的評價應該沒少見。

無反對於CMOS性能的需求是速度和能效比,這個更像是電腦CPU/GPU。後續走上半導體產業的通用玩法其實一點都不稀奇。

實際上除了無反之外,還有個影像器材對於幀率和功耗的需求可以說更甚——

沒錯,就是手機。

之前我們談到片上ADC的Exmor CMOS,講過它可以降低底噪提升動態範圍。但實際上索尼做這個東西的出發點根本就不是這個(風光黨才幾個人),而是外置的幾個幾十MHz的ADC,換成片上的幾千個幾十幾百KHz的列並行ADC之後,功耗可以大幅度降低,而且可以隨著CMOS晶元的製程進化,進一步壓低功耗。同時Exmor也是做BSI和Stack的基礎(你不把數字層放進來,談什麼高集成化)。索尼本質上是個影像和廣播(攝像機)廠商,對於高幀率、低功耗有追求不足為奇。也算是無心插柳柳成蔭吧,這個舉動直接宣告了十年之後無反時代的降臨。

(本來無反就是個變種攝像機,君不見第一台無反也是攝像機廠出的松下G1)

Exmor CMOS——一切的起點

鑒於Exmor CMOS的優秀性能和低功耗,索尼半導體被蘋果欽定,從此成為了穩定的大批量供貨商,手機CMOS本來就對幀速和能效比極端渴求,索尼半導體也樂於一代代做優化、上新架構、改進工藝,從180nm Al到130nm Al,然後是65nm Cu,最後是終極版本——65nm+28nm+16FF三層Stack(A9的IMX310)

然後是隔壁佳能,2008~2013這五年(5D2的當打之年)過得太順利,加上單反有反光板和獨立對焦模塊,自家半導體也懶得往幀率這個方向研究什麼,至於寬容度提升那不過是提升幀速(內置ADC)的附帶效果,自然也是沒有的。然後就是5D3,看起來也還行,不過佳能也感覺到了危機感,之後5D4就換了內置ADC以迎接幀速、畫質需求提升的挑戰。至於工藝製程嘛,反正老工藝不影響祖傳感測器的畫質(尤其是高ISO),再堆點像素也還行,就這樣吧。

功耗?膠片這種沒電源的東西都能做成單反,單反CMOS對功耗能有什麼要求。

不過呢,光有危機感是不行的,砸錢也是不行的(除非持續砸錢虧著血本賣,不過那樣的不是資本家,是慈善家)。半導體產業有一個很明顯的幾何模型,就是面積對於良率的影響巨大。

為什麼大畫幅相機都是膠片機?www.zhihu.com圖標

假設你我做一塊同性能的1英寸底子,你的良率是80%,我的良率是90%,利潤率也就差10%多嘛,又不是不能做,我大不了賣便宜點。

然後呢,咱倆一起搞個全幅?

你的良率是 0.8^7.29=19.6%

我的良率是0.9^7.29=46.39%

我賣200美刀的晶元,你做個一樣的就得600刀才能回本,你覺得你還有什麼玩下去的必要麼……

正因為如此,小尺寸感測器晶元(傳說中的各種指甲蓋底)是試水新技術的絕佳領域,第一塊Exmor R 背照式CMOS就是一塊卡片機CMOS,放在了索尼TX1之類的機器上。第一塊Exmor RS堆棧式CMOS就是手機底,在自家的旗艦手機Xperia LT29i上。

隔壁佳能沒被手機廠爸爸們看上,反而自家的小底市場(卡片機)都被手機廠爸爸們吃完了,想弄點新東西就得面對上來就要做個大的這種頂尖挑戰,妥妥的地獄難度模式啊。

再然後就沒有然後了,索尼一看無反這種形式可行,做APS-C和全幅高速底的技術也成熟了,然後就是今天這個市場狀況。

反觀佳能,其實不是沒有覺察到危機感,還在放肆擠牙膏,也做出了一些回應:

70D上開始搭載的全像素雙核AF實際上不是單反必須要有的技術;

STM馬達鏡頭不是單反鏡頭的最適馬達;

甚至1DX2要單純只是為了14/16fps的話,沒必要把感測器速度提速到480MPPS,這個速度足夠20MP/24fps了。

但是半導體這種充錢都不一定變強(一個成功方案背後幾十上百條彎路)的產業哪有那麼容易提升,1DX2老製程強行超頻提速後果就是功耗爆炸,只能用在1D系列的機身里,還得塞個熱管進去

這個熱管我真是精了,這根本不是什麼技術良心的體現啊,這妥妥就是落後啊,反觀同時期隔壁讀速比它稍微快一點(500+MPPS)的IMX251(A7R2)掛著個五軸到處晃,雖然有點熱噪吧,但是這種惡劣散熱環境人家能用啊。

每次聽人說1DX2高速、高畫質,我就不由得想起這個,FX9590當時性能確實也是跟i7 3770K差不多啊。

再看續航,1DX2用了人家四五倍大的一個巨型電池,LV續航和A7R2差不多。

不過1DX2是單反,有反光板消減待機功耗,所以也就這麼著了吧,日常沒啥問題。

如果1DX2這塊底拿來做無反,就A7R2這麼大個機身,哦不,暖寶寶,用上FW50這個電池,你得到的大概也就是個50多張續航,2000萬像素的A7R2。

(又不是不能用!)

接下來佳能一路艱難的提速降耗,5D4沒看著功耗怎麼降,M5/M6/M100這塊底做個無反勉強的是夠用了,然而速度跟不上4K視頻,追焦能力更是捉急。

繼續改進吧,人家索尼全幅無反賣瘋了,俺也要做全幅無反!

6D2本來看到了一點曙光,然後貌似是降低驅動電壓實現的,續航提升立竿見影,動態範圍直接崩潰

再就是這兩天發的M50了,功耗是沒敢提,跟M100啥的差不多,性能倒是拱了一點,剛剛好摸到4K視頻的門檻,然而已經沒有多餘的幀速插入PD取景幀了,反差對焦又不是不能用……

至於眼控AF-C,剛剛說了AF-C依賴啥……

不是爸爸不想給你,咱家窮,沒法跟隔壁索尼爸爸似的那麼奢侈,就這點功耗限制底下的性能,你省著點用不行嗎?拍什麼4K,1080p不夠用嗎?AF-S不好使嗎?不行咱家還有點單反,拿出來用不也行嗎? ——佳能爸爸


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