Stacked CMOS Sensor เทคโนโลยีที่ทลายขีดจำกัดความเร็วของกล้องยุคใหม่

หลายวันก่อน Sony เปิดตัวกล้องใหม่ในรุ่น Sony A7RVI ที่เขายอมเปลี่ยนไปใช้ Stacked CMOS Sensor แล้วหลังจากเราบ่นมานานว่า ทำไม Sony ไม่มีกล้องที่ใช้ Sensor แบบนี้สักที ไหน ๆ วันนี้ Sony ทำออกมาแล้ว เรามาเล่าให้อ่านกันว่า เทคโนโลยีนี้คืออะไร และมันเข้ามาแก้ปัญหาอะไร

เริ่มจากว่า เคยเจอปัญหาที่เวลาเราพยายามถ่ายอะไรที่มันเคลื่อนไหวเร็ว ๆ เช่น กีฬา หรือ นก ไม่ก็แพนกล้องวีดีโอแบบไว ๆ แล้วภาพมันล้ม ๆ เบี้ยว ๆ มั้ย ภาษาช่างภาพเราเรียกอาการนี้ว่า Rolling Shutter หรือ เวลาเราถ่ายภาพเร็ว ๆ เหมือนเดิม กด Shutter รั่ว ๆ จอภาพมันกระพริบ (Blackout) สลับไปมาจนเราแพนกล้องตามไม่ทัน สุดท้ายก็วืด ไม่ได้ภาพไป

เมื่อก่อน เราอาจจะเข้าใจว่า การใช้กล้องที่มีความละเอียดเยอะ ๆ หรือดัน Shutter Speed ให้สูงมันก็จบ แต่ปัญหานี้มันไม่เกี่ยวกับอะไรพวกนี้เลย แต่มันเกี่ยวกับปัญหา ความเร็วในการส่งข้อมูล (Readout Speed) ของ Sensor ที่อยู่ในกล้องต่างหาก นี่แหละ เลยเป็นเหตุที่ผู้ผลิตกล้องต้องหาทางออก จนได้ออกมาเป็นเทคโนโลยี Stacked CMOS Sensor ที่มักอยู่ในกล้องตัว Flagship เพื่อเข้ามาทลายปัญหานี้

ก่อนจะมาเป็น Stacked CMOS เราใช้อะไรกันอยู่ ?

ก่อนเราจะไปคุยกันว่า Stacked CMOS มันคืออะไร ทำไมถึงแก้ปัญหาความเร็วได้ เราต้องมาเข้าใจเรื่องของ Sensor รับภาพในกล้องกันก่อน

หากเปรียบเทียบ Sensor ในกล้อง Digital กับกล้องฟิล์ม มันก็คือ Film นั่นเอง ดังนั้นหน้าที่ของ Sensor จึงเป็นเหมือนโรงงานรับแสงขนาดใหญ่ โดยในยุคแรกเริ่มเลย เราใช้ Sensor แบบ FSI (Front-Illuminated) เปรียบได้เหมือนกับโรงงานชั้นเดียวที่เอาทุกอย่างมากองรวมกันหมด ทั้ง ตัวรับแสง (Photodiote) และโครงข่ายสายไฟต่าง ๆ ทำให้ปัญหาของมันคือ สายไฟมันจะเกะกะกินพื้นที่ของพื้นที่รับแสง ทำให้มันรับแสงได้ไม่เต็มร้อย

พอในยุคต่อมา เขาเลยแก้ปัญหาด้วยการสร้าง Sensor แบบ BSI (Back-Illuminated) อธิบายง่าย ๆ คือ เราเอาสายไฟที่อยู่ใน FSI Sensor ไปไว้ด้านหลังซะเลยสิ ทำให้ชั้นบนสุด ก็จะมีแค่ตัวรับแสงแบบเพียว ๆ แล้ว ทำให้รับแสงได้เต็มพื้นที่ 100% จัดการ Noise ในพื้นที่แสงน้อยได้ดีกว่าเดิมมาก ๆ ซึ่งนี่แหละ คือสิ่งที่เราใช้กันเป็นมาตรฐานในกล้องตอนนี้เลย

Stacked CMOS เข้ามาทำอะไร

แต่ถึงแม้ว่า BSI Sensor จะรับแสงได้ดีเยี่ยม เต็มพื้นที่ แต่มันยังมีปัญหาใหญ่ที่สำคัญมากคือ จังหวะที่มันจะต้องส่งข้อมูลภาพออกมา ถึงแม้ว่าเราจะอ่านข้อมูลออกจาก Photodiote ได้เร็วมาก ๆ แต่ถ้าเส้นทางที่ใช้ในการส่งข้อมูลเร็วไม่พอ สุดท้ายมันก็จะไปตันที่เส้นทางตรงนี้แหละ ก็ต้องรอให้เสร็จ กว่าจะเริ่มถ่าย Frame ใหม่ได้ นี่แหละ คือ ต้นตอที่ทำให้เกิดอาการ Rolling Shutter หรือ จอดำ เวลาเราถ่ายรัว ๆ

Stacked CMOS เลยถูกคิดค้นมาเพื่อแก้ปัญหานี้เลย โดยคำว่า Stacked แปลตรงตัวเลยคือ การซ้อน มันคือการ Upgrade โรงงานชั้นเดียวให้เป็น ตึกสูง ๆ แทนที่จะมีแค่ชั้นรับแสงกับสายไฟ เขาจะเอาพวก Logic Board และ DRAM มาซ้อนประกบไว้ที่ชั้นล่างสุดของ Sensor ไว้เลย

ผลที่ได้คือ พอ Sensor ได้รับแสงปุ๊บ แทนที่มันจะต้องฝ่ารถติดไปต่อคิว มันสามารถทิ้งข้อมูลลงมาพักที่ DRAM ที่อยู่ชั้นใต้ดินในเสี้ยววินาทีเท่านั้นเอง ถ้าเปรียบเหมือนกับคอมพิวเตอร์ที่เราใช้งาน มันก็เหมือนกับการเอา Cache มาแปะติดกับ CPU เพื่อเป็นถังรองข้อมูลความเร็วสูงนั่นเอง แล้วพอมันส่งข้อมูลได้เร็วขึ้น Readout Speed ก็จะพุ่งสูงขึ้นแบบเยอะมาก ๆ เรียกว่า BSI Sensor ทั่ว ๆ ไปเทียบไม่ติดเลยละ

Stacked CMOS Sensor ให้อะไรกับการทำงานจริงบ้าง

พอ Sensor มันย้ายข้อมูลได้เร็วมากขึ้นกว่าเดิมมาก ๆ สิ่งที่ตามมาคือ Feature ที่โคตรโกงเปลี่ยนประสบการณ์ในการถ่ายภาพ และวีดีโอไปเลย

อย่างแรกคือ Rolling Shutter น้อยลงแน่นอน ใครที่ชอบเอาไปถ่ายภาพกีฬา หรือ Wildlife น่าจะชอบเลยละ เราจะได้ภาพที่ตรง ไม่บิดเบี้ยวแล้ว แต่ถามว่า มันหายสนิทเลยมั้ย ดูจาก Sony A7RVI ก็ได้ ที่ถึงจะเป็น Stacked CMOS แล้ว เราก็ยังสามารถเจออาการนี้ได้อยู่ ทำให้เราเห็นแล้วว่า ถึงเราจะมี Stacked CMOS มันเป็นเพียงวิธีการเพื่อ ลด เฉย ๆ ไม่ได้แก้ปัญหาที่ต้นเหตุจริง ๆ

อย่างที่ 2 คือ ลดอาการ Blackout ตอนถ่ายภาพรัว ๆ ได้ ถ้าเราใช้กล้องที่ใช้ CMOS Sensor ปกติ แล้วกดรัว เราจะเจออาการภาพดำสลับ ๆ ไปเรื่อย ๆ มันเป็นเพราะกว่าภาพจากถูกอ่านจาก Sensor จนครบทั้งภาพมันใช้เวลา แต่พอเรามี Sensor ที่เร็วมากขึ้น อาการนี้ก็จะน้อยลงจนแทบไม่เห็นเลย

อย่างที่ 3 คือ Autofocus (AF) ที่โหดขึ้นมาก ปกติ เวลากล้องจะ Focus มันจะต้องเห็นภาพ แปลว่า ถ้าเราอ่านภาพออกมาให้กล้องได้เร็วขึ้นมากเท่าไหร่ มันสามารถทำ Autofocus ได้ถี่มากขึ้นเท่านั้น กล้องรุ่นใหม่ ๆ บางตัวสามารถทำได้ 120 ครั้งต่อวินาทีเลยละ นี่แหละ คือผลของการใช้ Stacked CMOS และ AI Autofocus

สุดท้ายอย่างที่ 4 คือ เราสามารถถ่ายวีดีโอในความละเอียดสูงเร็ว ๆ ได้ เช่น 4K 120 fps หรือ 8K แบบไม่โดน Crop เพราะเราสามารถอ่านข้อมูลออกมาเร็วมากพอที่จะบันทึกได้แล้วโดยภาพไม่ย้วยนั่นเอง

ของดีขนาดนี้ ทำไมไม่ใส่มาให้ทุกรุ่นเลยละ

อ่านมาถึงตรงนี้ อาจจะรู้สึกว่า ของมันดีขนาดนี้ ทำไมค่ายเขาไม่ยัด Stacked CMOS มาให้เป็นมาตรฐานเลยละ เหตุที่เป็นแบบนั้น เป็นเพราะ มันแพง และทำยากกว่า

อย่างแรกคือ ต้นทุนการผลิต การจะเอาแผ่น Silicon บาง ๆ หลาย ๆ แผ่นมาซ้อนประกบกันให้จุดเชื่อมต่อตรงเป๊ะในระดับ Micron เป็นเรื่องที่ท้าทายมาก ๆ ทำให้กระบวนการผลิตมันมีความซับซ้อน และมีโอกาสที่จะพังใน Production Line มากกว่า ทำให้ต้นทุนในการผลิต Stacked CMOS เลยแพงกว่า BSI Sensor หลายเท่าตัว ทำให้กล้องที่ใช้อาจจะต้องมีราคาหลักแสนกันแทบทุกตัวเลย

อีกอย่างคือ ความร้อน ลองคิดดูนะว่า เรามีข้อมูลผ่านต่อเวลาเร็วขึ้น นั่นแปลว่า เราต้องใช้การประมวลผลที่เร็วขึ้นกว่าเดิมด้วย รวมถึงเราเอา Memory และหน่วยประมวลผลไปแปะไว้ที่ Sensor ทำให้เกิดความร้อนที่จุดเดียวเยอะมากกว่ากล้องปกติพอสมควร ซึ่งเมื่อเกิด ความร้อน แล้ว ย่อมทำให้เกิด Noise ในภาพมากขึ้นได้

ดังนั้น กล้องที่จะใช้ Stacked CMOS Sensor จะต้องมีการออกแบบระบบการจัดการและระบายความร้อนที่ดีมาก ๆ เพื่อไม่ให้ Sensor ร้อนจนภาพเละ นั่นเอง

ก้าวต่อไปของ Sensor อยู่ตรงไหน

แน่นอนว่า เราเห็นแล้วว่า Stacked CMOS มันไม่ได้มีแค่ข้อดีอย่างเดียว เช่น วิธีการอ่านภาพที่ ยังไง ๆ มันก็ต้องอ่านทีละบรรทัดจากบนลงล่าง แค่เร็วขึ้นอยู่ดี ดังนั้นโอกาสการเกิด Rolling Shutter ก็ยังมีอยู่ แต่ถ้าต้องการความสมบูรณ์แบบ 100% วงการกล้อง เขาก็มีเทคโนโลยีที่เหนือกว่าออกมาให้เราเห็นกันแล้ว

อย่างแรก เป็นตัวที่พอออกมา เราช๊อคมาก มันดีมาก นั่นคือ Global Shutter นี่แหละ คือร่างทองของแทร่เลยละ แทนที่จะกวาดอ่านออกมาทีละบรรทัด Global Shutter บอกว่า โน ๆ เราอ่านทั้ง Sensor พร้อมกัน แน่นอนว่า ผลก็คือ Rolling Shutter หายไป 100% แน่นอน ต่อให้จะใช้ Speed Shutter เท่าไหร่ หรือสะบัดกล้องแรงแค่ไหนก็ตาม ก็ไม่มีปัญหา แถมยังทำให้ Sync Flash ได้ทุกความเร็ว Shutter อีกด้วย ตัวอย่างของกล้องที่ใช้เทคโนโลยีนี้คือ Sony A9III

อีกตัวที่ใช้กันคือ 2-Layer Transister Pixel เราคิดว่า เทคโนโลยีนี้มันไม่ได้ทำมาเพื่อควมเร็วอย่างเดียว แต่เน้นคุณภาพไฟล์ด้วย ปกติแล้วภายใน Sensor แต่ละ Pixel จะมีส่วนที่รับแสง และ Transisitor เล็ก ๆ เบียดกันอยู่ เทคโนโลยีนี้บอกว่า เราจับทั้งสองส่วนแยกชั้น ทำให้ชั้นบนรับแสงอย่างเดียว อีกชั้นคือ Transister ผลที่ได้คือ เราจะได้พื้นที่รับแสงมากขึ้นไปอีกในพื้นที่ Sensor เท่าเดิม ทำให้จัดการกับ Noise และ Dynamic Range ที่กว้างขึ้นมาก ๆ

สรุป : Sensor เร็วขนาดนี้ จำเป็นกับเราแค่ไหน

Stacked CMOS Sensor คือเทคโนโลยีที่สร้างขึ้นมาเพื่อลดปัญหา คอขวด ของการส่งข้อมูลโดยเฉพาะ โดยการเปลี่ยน Sensor กล้องที่ทำงาน 2 ชั้น ให้กลายเป็นคอนโด High-Rise แยกส่วนต่าง ๆ ให้อยู่คนละชั้นกัน และสร้างทางเดินถึงกันจำนวนมาก ทำให้ข้อมูลมหาศาลสามารถโยกจากส่วนที่รับแสงถึงส่วนประมวลผลได้เร็วมากขึ้น ทำให้ถ่ายภาพได้รัวเป็นปืนกล โฟกัสจิกหนึบ และถ่ายวีดีโอโหด ๆ ได้โดยภาพไม่ล้ม

แต่ถามว่า แล้วมันจำเป็นกับเรามั้ย เราคิดว่า มันอยู่ที่งานที่เราถ่ายด้วย ถ้าเราเป็นช่างภาพที่ต้องถ่ายของที่เร็ว ๆ เช่น Sport และ Wildlife ส่วนตัวเราคิดว่า การลงทุนกับกล้องที่มี Stacked CMOS Sensor เป็นการซื้อโอกาสที่จะจับภาพในจังหวะสำคัญได้ (เคยพลาดมาเยอะละ แมร่งเอ้ย !) แต่ถ้าเป็นสาย Portrait สวย ๆ หรือ Landscape ท่องเที่ยวทั่ว ๆ ไปไม่ได้ Burst รัว ๆ 30 ภาพต่อวินาที การใช้ BSI Sensor ที่อยู่ทั่วไปในท้องตลาด ก็ถือว่าเพียงพอมาก ๆ แล้ว เก็บเงินส่วนต่างไปงอกเลนส์ดี ๆ เพิ่มน่าจะเห็นผลกว่ากันเยอะเลย