Oltre il CMOS: ecco il super-sensore QIS da un miliardo di pixel

Oltre il CMOS: ecco il super-sensore QIS da un miliardo di pixel

di Alessandro Bordin , pubblicato il

“Un sensore in grado di catturare il signolo fotone di luce, con un miliardo di elementi sensibili e dalle dimensioni non dissimili dagli attuali CMOS utilizzati nelle fotocamere. Fantascienza? Sì e no, perché ci sta lavorando proprio il padre della tecnologia CMOS”

Dal CMOS a QIS?

L'annuncio della nuova tecnologia giunge dopo tre anni di lavoro intenso, al quale il dottorando Jiaju Ma e Eric Fossum hanno dedicato gran parte del loro tempo per giungere ad un proof of concept con ottimi presupposti di realizzabilità. Tre anni quindi a mettere le basi teoriche e pratiche a livello di programmazione, algoritmi e gestione del flusso dati generato da quello che sarà un sensore da circa un miliardo di pixel.

Non bisogna commettere l'errore di pensare ad un semplice rimpicciolimento della tecnologia attuale, facendo correre subito la mente a potenziali problemi di rumore nelle foto e cose simili. Mettere un miliardo di pixel al posto di milioni sulla stessa superficie ha una motivazione ben precisa, che è stata il punto di patenza di tutto lo studio: catturare il singolo fotone, e non le decine di migliaia di fotoni che il singolo fotodiodo "cattura" con le tecnologie attuali.

Lo scopo primario è ottenere sensibilità elevatissime e per certi versi insuperabili nel vero senso della parola: essendo il singolo fotone, di fatto, la più piccola unità di luce, qualora il progetto riuscisse nel suo intento sarebbe impossibile andare oltre. Ecco un passaggio del documento pubblicato dagli scienziati:

"Light consists of photons, little bullets of light that activate our neurons and make us see light. The photons go into the semiconductor and break the chemical bonds between the silicon atoms and when they break a bond, an electron is released. Almost every photon that comes in makes one electron free inside the silicon crystal... We were able to build a new kind of pixel with a sensitivity so high we could see one electron above all the background noise. These new pixels are able to sense and count a single electron for the first time without resorting to extreme measures.

We deliberately wanted to invent it in a way that is almost completely compatible with today's CMOS image sensor technology so it's easy for industry to adopt it."

Traduzione: "La luce è costituita da fotoni, come piccoli "proiettili di luce" che i nostri neuroni percepiscono appunto come luce. I fotoni raggiungono il semiconduttore e rompono i legami fra gli atomi di silicio, che rilasciano elettroni. Praticamente ogni fotone è in grado di "liberare" un elettrone dai cristalli di silicio. Siamo in grado di realizzare un nuovo tipo di "pixel" con una sensibilità così elevata da poter distinguere e registrare il singolo elettrone. Questi nuovi pixel sono in grado di captare e contare i singoli elettroni per la prima volta, senza la necessità di strutture più complesse.

"Abbiamo lavorato espressamente per rendere la nuova tecnologia completamente compatibile con l'utilizzo e la gestione degli attuali CMOS, in modo da rendere molto facile il passaggio a QIS da parte delle aziende attive nel settore".

Insomma, il sensore QIS (Quanta Image Sensor) sarà costituito da miliardi di pixel, che i ricercatori hanno battezzato jots proprio per far capire che sono diversi dai fotodiodi "normali". Ogni jot è in grado di registrare anche un solo elettrone, staccatosi dal silicio dopo essere stato raggiunto da un fotone. Questo non significa che ogni jots sarà in grado di registrare uno e un solo elettrone (anche perché, per quanto piccoli siano i jots, gli elettroni in quella superficie saranno sempre e comunque moltissimi), ma che la sua sensibilità sarà così elevata da registrarne anche uno solo.

Uno dei problemi pratici è la mole di informazioni da elaborare da parte della circuiteria che sta fra il sensore e la generazione dell'immagine: si parla di un possibile terabit di dati al secondo, nel peggiore o migliore dei casi, a seconda se si prende in considerazione il carico sul fronte storage o quello dei benefici in fatto di risoluzione e precisione dell'immagine, anche nel buio attualmente più "infotografabile".

Nella pratica questo di traduce in una sensibilità enormemente superiore a quella di qualsiasi sensore CMOS, ma al contempo i sensori QIS saranno sviluppati per sostituire i CMOS in maniera indolore per le aziende. Le prime applicazioni pratiche per i sensori QIS sono gli ambiti medici e industriali (già attive le collaborazioni con i colossi del settore) oltre alla microscopia, ma in un secondo tempo non è per nulla escluso l'utilizzo  negli apparecchi fotografici di tutti i giorni.

Sarà rivoluzione? Presto per dirlo, poiché la tecnologia deve ancora arrivare a realizzare jots così piccoli ma gli studi sono molto promettenti. Quando? Certo non prima di una decina di anni, ma se guardiamo a cos'era il mondo della tecnologia 10 anni fa, nessuno può escludere che tutto sia più o meno possibile.


Commenti (21)

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Commento # 1 di: lucusta pubblicato il 15 Ottobre 2015, 12:32
singolo fotone si, ma senza saperne la "qualità"... o sono riusciti anche a trovare il modo di dedurne la lunghezza d'onda? se ci mettono un filtro non e' piu' un'acquisizione a "singolo fotone"...

poche informazioni... si dovrà aspettare...
Commento # 2 di: demon77 pubblicato il 15 Ottobre 2015, 12:32
SPETTACOLARE!!!
(e bello anche l'articiolo!)

Quando sarà possibile vedre un prototipo funzionante?
Un sensore simile riscriverebbe una bella fetta di regole di fotografia..

Comunque il ragionamento ed il modus operandi descritto riguardano il funzionamento di base. Poi immagino davanti sarà necessario comunque il classico filtro RGB per ottenere immagini a colori.. o forese qualcosa tipo il foveon?
Commento # 3 di: lucusta pubblicato il 15 Ottobre 2015, 12:36
foveon ha comunque il problema che parte della luce viene assorbita dagli strati superiori...

c'e' da fare una piccola prefazione: siamo nel mondo sub-nanometrico, quindi il comportamento dell'interazione trà luce e materia potrebbe cambiare parecchio...
Commento # 4 di: demon77 pubblicato il 15 Ottobre 2015, 12:58
Originariamente inviato da: lucusta
foveon ha comunque il problema che parte della luce viene assorbita dagli strati superiori...

c'e' da fare una piccola prefazione: siamo nel mondo sub-nanometrico, quindi il comportamento dell'interazione trà luce e materia potrebbe cambiare parecchio...


vero.. se interagisce coi singoli fotoni siamo a livello atomico.
Boh non capisco, poche info per ora.. sarebbe da capire come ottenere immagini a colori..
Commento # 5 di: emanuele83 pubblicato il 15 Ottobre 2015, 13:13
bene il qis può rivelare il singolo fotone ma ci sono 3 problemi:
1_ il fotone è trasformato in elettrone che viene letto da una elettronica analogica esattamente come coi cmos quindi l'elttronica analogica di lettura ha un suo rumore intrinseco --> supponendo QIS ideali che creano solo elettroni quando colpiti da fotoni (niente rumore termico) possiamo fare quis piccoli quanto vogliamo ma vanno combinati in ogni caso gli elettroni provenienti da n (10000) per superare il rumore (termico e non ) dell'elettronica di lettura. possiamo fare sensori belli quanto vogliamo ma il limite è sempre quello dell'elemento che introduce più rumore. è anche vero che è il primo elemento della catena il peggiore in termini di rumor e perché viene poi amplificato dall'elettronica a valle, per cui se questi qis sono molto meno rumorosi di un sensore CMOS il gioco vale la candela.
2_ il qis legge un singolo fotone e lo trasforma in elettrone, ma il ruore termico produce altri elettroni che sono letti come generati da fotoni per cui producono rumore (falsi fotoni) nell'immagine, oppure hanno trovato un modo di eliminare gli elettroni termici? il tutto funziona se hanno trovato il modo di fare sensori con efficienza quantica unitaria (100%). 1 fotone = 1 elettrone SEMPRE? significa che nessun fotone può sfuggire?
3_considerazioni in fatto di area del pixel. supponiamo un pixel cmos di 100nm di lato, e un QIS di 1nm di lato (son 10 strati atomici circa) siamo sicuri che i 10000quis riescano a avere la stessa efficienza quantica del singolo pixel cmos visto che comunque occorre spazio per dividerli l#un l'altro? sono molto dubbioso
Commento # 6 di: Rubberick pubblicato il 15 Ottobre 2015, 13:38
Pur potendo acquisire ed elaborare in raw qualsiasi cosa, credo che il bello della fotografia siano parzialmente (non totalmente) i limiti che pone.

In un futuro dove tutto sarà raw e giostrabile (a parte per applicazioni dove non importa il lato artistico ma quello funzionale) la fotografia come arte sarà stravolta non poco e spero non in un appiattimento enorme sotto il lato delle figure professionali. Ne mi piacerebbe immaginare gente che non ha quasi più bisogno di scattare e passare solo giorni al pc ad elaborare.
Commento # 7 di: Italia 1 pubblicato il 15 Ottobre 2015, 20:21
Con Firefox ed Edge, l'articolo non è visibile

EDIT: ora è ok. Boh, prima compariva solo la prima parte in alto
Commento # 8 di: Zenida pubblicato il 15 Ottobre 2015, 22:51
Ho sempre pensato a sensori in grado di catturare il singolo fotone... e ora è quasi realtà xD

Questo vuol dire addio ad ogni sorta di Zoom ottico...
Per quanto riguarda le analogiche, le pellicole in effetti catturano ogni singolo fotone... ma ovviamente creando "macchie" non grandi quanto il fotone stesso, senza considerare che anche gli ingrandimenti dal negativo hanno un limite fisico.
Commento # 9 di: emanuele83 pubblicato il 16 Ottobre 2015, 08:26
Originariamente inviato da: Zenida
Ho sempre pensato a sensori in grado di catturare il singolo fotone... e ora è quasi realtà xD

Questo vuol dire addio ad ogni sorta di Zoom ottico...
Per quanto riguarda le analogiche, le pellicole in effetti catturano ogni singolo fotone... ma ovviamente creando "macchie" non grandi quanto il fotone stesso, senza considerare che anche gli ingrandimenti dal negativo hanno un limite fisico.


Secondo me non hai capito quello che è scritto nell'articolo. si parla di sensibilità non di risoluzione spaziale. se prendi un sensore grosso un metro quadro fatto da un pixel solo che ti cattura il 100% dei fotoni non hai risoluzione spaziale ma efficienza quantica 100%. Secondo me c' solo molta confusione. il singolo pixel ha dimensioni finite e si, cattura il singolo fotone che lo colpisce nell'area sensibile, ma cisaranno altri N fotoni persi che cadranno nello spazio tra un pixel e l'altro. Da questo articolo si evince solo che questi qis sono piccoli, non si sa quanto e che sono molto sensibili. molto bne, molto bello, ma almeno sulla risoluzione abbastanza inutile perché la mole di dati sarebbe trooppo onerosa per qualunque tipo di processo dell'informazione.

Inoltre se pensi ad una bella foto alla blade runner dove puoi zoomare quanto vuoi senza perdere risoluzione spaziale ti sbagli di grosso, ogni lente ha una risoluzione finita. Puoi mettere 10 miliardi di pixel con il canon 50mm f/1.2 ma la risoluzione è finita perché solo il fatto che catturio la luce con una apertutra circolare impone il imite di diffrazione (senza contare l'apertura numerica delle lenti contenute nell'obiettivo.
Commento # 10 di: Raghnar-The coWolf- pubblicato il 16 Ottobre 2015, 08:56
fra parentesi, 10 anni fa c'era gia' la 350D e la 1Ds...
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