關(guān)于日本對未來的8K顯示的投入和研究

因為蘋果在即將發(fā)布的新iPhone上采用OLED屏幕，引致產(chǎn)業(yè)鏈的一系列連鎖反應(yīng)，當(dāng)中以JDI的慘淡經(jīng)營最為矚目，媒體也開始復(fù)盤顯示面板的發(fā)展歷程，感嘆日本的衰落。但據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)觀察特約撰稿人凌動觀察，日本已經(jīng)在未來的8K顯示上壓下了重大籌碼，期望在未來扭轉(zhuǎn)戰(zhàn)局。

8k顯示背景與優(yōu)勢

2012年8月23日，聯(lián)合國旗下的國際電訊聯(lián)盟ITU通過以日本NHK電視臺所建議的7680x4320分辨率作為國際的8K超高畫質(zhì)電視(Super Hi-Vision - SHV)標(biāo)準(zhǔn)。8k，具體是指分辨率達到7680*4320，它相當(dāng)與16個1080p，4個4k的分辨率。8k意味著更高的采樣分辨率，更高的傳輸帶寬，更高效的編解碼效率，這些都對半導(dǎo)體行業(yè)帶來新的技術(shù)問題。如此巨大的代價實現(xiàn)8k顯示，是否真的有必要嗎?回答是肯定的。

首先，UHDTV(8K)的彩色還原度達到75.8%，可以看到4k里邊看不到的色彩，如下圖，馬蹄形是可見色彩的表示，不同的三角形是不同標(biāo)準(zhǔn)所能體現(xiàn)覆蓋的彩色范圍。傳統(tǒng)高清電視的Rec709的色域空間只能覆蓋35.9%的色彩范圍。新的HDTV的色彩空間可以達到75.8%，我們可以在新的4K電視系統(tǒng)里看到之前看不到的顏色。其次，8k分辨率的提升，相當(dāng)于4k的4倍數(shù)量像素點。8k可以帶來超越傳統(tǒng)廣電畫質(zhì)的壓倒性精細感，同時，使用8K進行拍攝，把它變成高清或者4K系統(tǒng)里的應(yīng)用，通過8K獲取更大的空間。最后，8K技術(shù)可以讓我們可以充分利用攝像機高的動態(tài)范圍，讓我們看到更好的畫面。通過HDR技術(shù)我們可以從攝像機的感光元件捕捉開始到傳輸．一直到最終的顯示，都可以保持更好的動態(tài)范圍。8k的應(yīng)用其實不僅僅在廣電領(lǐng)域，在醫(yī)療領(lǐng)域其畫質(zhì)精細和色域?qū)拸V也具備非常大的應(yīng)用前景，還有安防、教育等領(lǐng)域也強烈需要8K技術(shù)。

圖一 8k色彩覆蓋率

在2016年12月30日，富士康科技集團總裁郭臺銘在廣州宣布：由他實際控制的堺顯示器株式會社（Sakai Display Production,下稱SDP) ，將與廣州市政府合作，打造10.5代8K顯示器全生態(tài)產(chǎn)業(yè)園區(qū)。這一園區(qū)坐落在廣州市的郊區(qū)增城，總投資額約為610億元。之前，BOE、夏普、三星和LG都在展會上高調(diào)展出了8k電視，無疑，目前世界各國面板廠家都看到了8K這塊巨大的奶酪。而日本，在8k技術(shù)這塊，更是一個先行者。從8k的標(biāo)準(zhǔn)的提交、8k攝像機設(shè)計、8K信號源制造和傳輸方面，均在深耕細作。8k的產(chǎn)業(yè)競爭是技術(shù)的競爭，歸根到底也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的競爭。從COMS的成像器件、8k的傳輸編解碼芯片到8k液晶面板的制造工藝，無處不體現(xiàn)著半導(dǎo)體技術(shù)的競爭。

日本在8k顯示方面布局

8K顯示，從信號源的產(chǎn)生到在觀眾面前的呈現(xiàn)，需要眾多的技術(shù)支撐。8k信號源產(chǎn)生，需要CMOS器件技術(shù)；信號源產(chǎn)品后，需要進行傳輸，傳輸方式有遠距離和短距離兩種。遠距離的衛(wèi)星傳輸需要研究各種編碼方式和衛(wèi)星收發(fā)技術(shù)；端距離傳輸需要研究高帶寬線纜或者多個現(xiàn)有傳輸方式組合。8k顯示，需要研究8k的解碼芯片，該芯片設(shè)計難度在于海量的視頻輸出解碼，耗資源又功耗高，如何快速解碼和降低功耗是一個難題。8k顯示面板，如何進行批量生產(chǎn)，達到大眾消費水平，也是8k顯示面臨的一個技術(shù)難題。從目前看，日本在COMS器件、編解碼芯片和衛(wèi)星傳輸方面已經(jīng)占領(lǐng)了先機。

2.1 日本顯示產(chǎn)業(yè)曾經(jīng)的輝煌

上世紀(jì)90年代，日本在全球顯示技術(shù)市場可謂獨領(lǐng)風(fēng)騷，憑借在液晶顯示領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢，日本獨攬90%左右的顯示面板市場，參與液晶面板制造銷售的企業(yè)數(shù)量也多達9家。松下、夏普、日立、先鋒等日本企業(yè)幾乎是世界面板的絕對控制者。當(dāng)年，中國國產(chǎn)彩電品牌企業(yè)想要拿到日本面板廠商的優(yōu)質(zhì)面板供應(yīng)，何其艱難。甚至有日本面板企業(yè)拿次品的貨，賣良品的價，缺乏技術(shù)與供應(yīng)話語權(quán)的中國彩電廠商則是被動接收啞巴吃黃連。素有“液晶之父”之稱的夏普、索尼等企業(yè)，代表著日本顯示的曾經(jīng)的輝煌。然而盛極難繼，在爆發(fā)了日本歷史上最嚴(yán)重的經(jīng)濟危機后，日本顯示面板產(chǎn)業(yè)被韓國后來居上，經(jīng)此便一蹶不振，走上了一直持續(xù)到近期的衰退之路。從圖三可以看到，上世紀(jì)90年代，日本面板基本上獨霸天下，然后一路下滑，到2015年，已經(jīng)在韓國、中國大陸和***之下了。

圖二全球面板市場占有率變遷

在顯示面板上的失去霸主地位后，日本在2012年成立了JDI，它是由由索尼、東芝、日立的小型液晶部門整合而成；在2015年1月，JOLED成立，它是在索尼、松下在OLED合作項目終止后，由相關(guān)人員組織成立。根據(jù)日經(jīng)新聞的最新報道，JDI預(yù)計在2017年完成與JOLED的合并，合并后仍保持JDI的公司名稱。從日本這些公司的整合來看，它是不甘于目前的現(xiàn)狀的；8k顯示，是日本顯示行業(yè)從新崛起的一個契機。除了在面板方面的布局外，日本企業(yè)目前在深入的領(lǐng)域進行技術(shù)創(chuàng)新，特別是在電子技術(shù)的底層創(chuàng)新——半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。半導(dǎo)體器件一直被世界各個國家和地區(qū)視為推動經(jīng)濟增長以及保障國家和地區(qū)安全的重要命脈，而確保有安全可用的半導(dǎo)體器件也一直是各國（地區(qū)）工作的重點。面對半導(dǎo)體先進制造能力不斷向亞洲聚攏的趨勢，以及物聯(lián)網(wǎng)時代出現(xiàn)的新需求，美、歐、日均提出重建半導(dǎo)體先進制造能力，以滿足自身需求和保持戰(zhàn)略獨立。日本半導(dǎo)體在部分細分領(lǐng)域具備強大的市場競爭力，如索尼的高端金屬互補氧化物半導(dǎo)體圖像處理器等。結(jié)合8k顯示技術(shù)，日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在前端COMS器件、中間編解碼芯片和全球衛(wèi)星傳輸方面均筑起了一道技術(shù)壁壘，旨在顯示領(lǐng)域利用8k技術(shù)，再造上世紀(jì)90年代的輝煌。

2.2 CIS (CMOS Image Sensor，CMOS圖像傳感器)

CMOS圖像傳感器是一個重要的視頻采集器件，它將采集圖像的光信號轉(zhuǎn)化為電信號。 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）即互補性金屬氧化物半導(dǎo)體，可用來感受光線變化的半導(dǎo)體。CMOS主要是利用硅和鍺這兩種元素所作成的半導(dǎo)體，通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現(xiàn)基本的功能的。這兩個互補效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。

日本企業(yè)很早就看到了COMS圖像傳感器這個商機，索尼，東芝、佳能很早就進入了該領(lǐng)域。2007年索尼發(fā)布了首款Exmor傳感器，相對以往的傳感器CIS，Exmor最大變化是內(nèi)置了ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出不是模擬信號，其實改變就是集成度提高。外置ADC傳輸數(shù)據(jù)時，需要設(shè)計降噪電路，信號匯聚后再通過外部總線傳輸?shù)絾蝹€或數(shù)個ADC之中。而Exmor每列像素擁有獨立的ADC，在芯片上即可完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后通過數(shù)字總線傳輸出去。由于Exmor的ADC數(shù)量非常龐大，每個ADC能在低頻率下運行，僅達到kHz級別，遠遠低于外置ADC的MHz級別，有效減少了噪聲和提升速率，同時，Exmor輸出的是數(shù)字信號，抗干擾性更好，易于長距離布線。該款產(chǎn)品獲得了很大的市場成功。從此，SONY走上了飛速發(fā)展的十年。

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，CMOS感光元件市場在2015年總市值達到67億美元，而單單索尼就控制著其中35%的市場份額（36億美元）。而其余的競爭者都無法撼動索尼的地位，不管是三星（19%）、OmniVision、On Semiconductor、佳能、東芝還是松下。據(jù)外媒報道，在未來5年里，CMOS感光元件產(chǎn)業(yè)的價值將達到190億美元。而就目前而言，索尼依然是CMOS感光元件市場的絕對領(lǐng)導(dǎo)者。

要拍攝8K視頻，一般需要約3300萬像素（7680×4320像素）的攝像元件。為了使紅（R）、藍（B）、綠（G）各色均可獲得3300萬像素的信息，迄今都使用為每種顏色各配備一枚，共計３枚3300萬像素的攝像元件。但同時還必須使用將光分成3色的棱鏡。

2014年，NHK面向“8K×4K”視頻的拍攝，開發(fā)出了高達1.33億像素的CMOS圖像傳感器。此次開發(fā)的CMOS圖像傳感器的像素數(shù)是原來的4倍，有1.33億像素，彩色濾鏡采用拜耳排列（RBGG）。因此，利用一個攝像元件，G信號可獲得約6600萬像素的信息，R/B信號可獲得約3300萬像素的信息。由此，雖為單板彩色攝像方式，但無需像素插值即可生成8K影像。直到2016年，為Leica M開發(fā)圖像傳感器的CMOSIS公司已經(jīng)宣布其最新產(chǎn)品——具有全局快門的4800萬像素CMOS傳感器。可見，在8k的COMS器件這塊，日本已經(jīng)在領(lǐng)跑了。NHK這次推出的1.33億像素的COMS圖像器件，筆者估計其中背后肯定有索尼的推動，因為8k這個技術(shù)，日本已經(jīng)把它提到了整個國家的戰(zhàn)略高度，必定會組織國內(nèi)相關(guān)技術(shù)公司進行集中攻關(guān)。

2.3 8k編解碼芯片

8k的視頻無壓縮帶寬大概是1080p的16倍，一般1080p@60，色彩空間采用40，帶寬也達到1.6Gbps左右，那么8k的帶寬也達到25.6Gbps。如此高的帶寬，如果直接進行遠距離傳輸肯定不可行，必須進行壓縮，最終目標(biāo)是可以通過現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行遠程傳輸。因此，8k視頻的編解碼芯片是一個技術(shù)關(guān)鍵點。

目前日本的NHK聯(lián)合株式會社一起開發(fā)了采用MPEG—HHEVC(High EfficiencyVideoCoding)／H．265方式的8K超高清影像編碼裝置及解碼裝置。日本早已為了更下一代的8K 內(nèi)容做足準(zhǔn)備，不僅是8K 內(nèi)容拍攝的COMS器件，而且也已經(jīng)著手為8K 電視商用化投入硬體解碼的單晶片。2016年 日本Socionext 與日本NHK 共同合作所推出的SCH801A ，就是一款具備HEVC 解碼能力的8K / 60P 硬體解碼單晶片。8K 相當(dāng)于3,300 萬畫素的動態(tài)影像，比起Full HD 高出16 倍，意味著需要龐大的運算能力，所以在這款單晶片出現(xiàn)前多半是透過多個高效能視頻處理器并行運算解決，不過隨著日本NHK 在2016 年啟動8K 廣播測試、 2018 年預(yù)計商用，也需要更簡化終端設(shè)備的晶片，故這款單晶片也成為首款可處理8K 影像的單晶片。

圖三 索喜8k解碼芯片SCH801A

SCH801A與日本超高清衛(wèi)星廣播HEVC編碼的標(biāo)準(zhǔn)ARIB STD-B32第一部分一致，能夠單芯片單通道解碼8K@60P。在之前展示的8k電視樣機中，日本企業(yè)還展出了另外一種8K芯片，它是利用4k的圖像，通過圖像算法擴展成8k的顯示圖像。該算法為通過4K寬帶傳輸4K及8K影像，對用超分辨率重構(gòu)進行分辨率等級間預(yù)測的方式，建立了一種基于小波域超分辨率重構(gòu)技術(shù)的實時預(yù)測處理。據(jù)筆者了解，目前全球有8k編解碼芯片產(chǎn)品廠家寥寥無幾，除日企外，僅僅只有一家廠家是美國的企業(yè)--安霸，安霸的產(chǎn)品主要用于無人接的8k編碼，8k解碼芯片尚未問市，推測是軟解碼?？梢姡?k編解碼芯片的技術(shù)較量中，日本企業(yè)占盡了先機。

2.4 8k衛(wèi)星傳輸

為了實現(xiàn)8K超高清標(biāo)準(zhǔn)(SHV)播送，日本也開展了衛(wèi)星傳輸方式、多路復(fù)用技術(shù)以及衛(wèi)星播送系統(tǒng)的相關(guān)研究。日本采用了1.2GHz波段廣播衛(wèi)星傳輸超高清電視進行了研究。引入16APSK(AmpIitudePhaseShifcKeying)，采用滾降系數(shù)0．03、符號率33．756Mbaud，一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸容量為100Mbps，這一傳輸參數(shù)作為AR舊的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條件而獲得認可。16APSK的傳輸容量不高，同時存在傳輸8k視頻數(shù)據(jù)時候中續(xù)器的穩(wěn)定性問題。為了解決上述問題，NHK致力于改善格柵編碼調(diào)制的性能。將擴大構(gòu)成符號的每一個比特的最短歐氏距離的集合分割法用于160AM，并提出了改善前向糾錯編碼性能的最優(yōu)化方法；同時，NHK就提高衛(wèi)星中繼器的穩(wěn)定性進行了研究，還開始研究較現(xiàn)行的行波管功率放大器擁有更好線性的、使用氮化鎵材料的固態(tài)功率放大器。不僅如此，日本還利用已知的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器濾波器和功率放大器的非線性特性，開展衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的非線性特性預(yù)矯正的均衡技術(shù)。

圖四 16APSK改善前后對比

通過這些技術(shù)研究，針對8k視頻傳輸，日本搭建了一套新一代的衛(wèi)星廣播系統(tǒng)。外媒報道顯示，日本知名的廣播衛(wèi)星運營商B-SAT將會發(fā)射新的衛(wèi)星，以便對未來8K電視節(jié)目傳輸做準(zhǔn)備。B-SAT公司的CEO Takashi Yabashi表示，使用衛(wèi)星傳輸8K超高清和4K超高清電視節(jié)目，提供節(jié)目入戶服務(wù)，是公司一直致力于提供的服務(wù)。目前初步計劃于在2017年年底發(fā)射新的衛(wèi)星B-Sat 4a，取代現(xiàn)有的B-Sat 3a衛(wèi)星。B-Sat 4a衛(wèi)星對傳輸大容量數(shù)據(jù)等方面進行了技術(shù)增強，以便可以更好的傳輸8K和4K電視節(jié)目，不會出現(xiàn)帶寬瓶頸。值得關(guān)注的是，在今年早些時候，B-SAT還發(fā)射了一顆B-Sat 3b衛(wèi)星，用于進行4K超高清電視節(jié)目的傳輸。

2016年日本公共廣播公司NHK宣布開放8K衛(wèi)星廣播服務(wù)，新“超高清”衛(wèi)星頻道為世界首創(chuàng)。NHK廣播。該“超高清”頻道將于2016年8月正式推出，每日播放時間為上午10點到下午5點，8K內(nèi)容分辨率高達7680×4320像素，節(jié)目包括音樂會和過往2012的年奧運會錄像。2016年8月6日開幕的巴西奧運會實現(xiàn)了全球首次8K現(xiàn)場實況轉(zhuǎn)播，其播出圖像精細的分辨率和高色彩還原度深受大眾的推崇。日本NHK還表示，在2020年7月24日開幕的2020年東京奧運會以及殘奧會中，將會使用8K超高清技術(shù)來傳輸比賽視頻。

中國國內(nèi)8k現(xiàn)狀與破局

優(yōu)勢

我國在各類電子終端產(chǎn)品產(chǎn)量方面均位于世界前列，面板市場需求量巨大。從全球整體供需角度看，受經(jīng)濟危機影響，國際龍頭企業(yè)放緩了在本國的產(chǎn)能投資，我國內(nèi)地成為全球生產(chǎn)線建設(shè)的重點，三星、LGD和友達光電均在中國大陸地區(qū)投資建設(shè)8.5代線。全球新型顯示產(chǎn)業(yè)布局向中國轉(zhuǎn)移的進程逐漸加快，我國新型顯示產(chǎn)業(yè)集中度也進一步提高，京津塘、長三角、珠三角以及成渝鄂等四大產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)均已擁有高世代線。可以說全球顯示產(chǎn)業(yè)的重心正在向中國轉(zhuǎn)移。8k的消費人群相關(guān)機構(gòu)預(yù)測，中國將占到40%以上，這個是一個非常大的8k市場。

在8k顯示這塊，中國在8k液晶面板這塊也在不斷突破。我國京東方已經(jīng)成為一匹“黑馬”。自從2013年京東方生產(chǎn)出采用ADSDS寬視角技術(shù)的98英寸8K顯示屏后，京東方在8K產(chǎn)業(yè)鏈上快速布局，不僅成為NHK的8K供貨商，三星110英寸8K超高清電視也采用的是京東方自主研發(fā)的8K超高清顯示屏。按照目前的速度，中國有望在2022年超越韓國，成為世界新晉面板業(yè)的老大，BOE將在2023~2027年成為事實上的全球8K面板業(yè)技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。

在8k攝像頭器件領(lǐng)域，中國Gpixel長光辰芯光電也在發(fā)力，聯(lián)合了TowerJazz 廠商開發(fā)出一款具備了一億五千萬像素的成像性能的大尺寸CMOS感光元件，當(dāng)然離商業(yè)應(yīng)用還有一段距離。從整個產(chǎn)品布局角度來看，日本已經(jīng)在8k這塊進行了全面布局，而我們目前只是在點上進行布局，差距非常之大。中國若想再8k方面持續(xù)發(fā)力，筆者建議從8k的編解碼芯片入手。從目前半導(dǎo)體市場看，中國的是全球增長最快的半導(dǎo)體市場，基本占到全球消耗量的一半。有利的市場環(huán)境培育了很多優(yōu)秀的IC設(shè)計企業(yè)，通過調(diào)控手段和市場導(dǎo)向引導(dǎo)，相信8k編解碼芯片很快能誕生。

劣勢

但是在8k方面，中國的起步較晚，目前只是在顯示面板方面看有點優(yōu)勢，其它方面基本沒有涉及基礎(chǔ)前沿研究。因此，知識產(chǎn)權(quán)籌備缺乏將成為國內(nèi)自主8k產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要隱患。國際企業(yè)很可能以知識產(chǎn)權(quán)作為利器，遏制我國企業(yè)的快速發(fā)展。根據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)局發(fā)布的《液晶顯示產(chǎn)業(yè)專利分析報告》統(tǒng)計，液晶顯示全球?qū)＠暾埱?0位中，有韓國企業(yè)2家、日本企業(yè)7家、我國***地區(qū)企業(yè)1家，沒有我國大陸地區(qū)的企業(yè)。8K領(lǐng)域的競爭，可能會以知識產(chǎn)權(quán)或?qū)＠鳛槔?，遏制包括我國企業(yè)在內(nèi)的競爭對手的發(fā)展。

中國目前國內(nèi)裝備、零配件和材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)十分薄弱，嚴(yán)重影響到目前8k面板的生產(chǎn)工藝設(shè)備；同時70%以上的零配件和材料依賴進口，關(guān)鍵材料和核心裝備也是以國外設(shè)備為主。2014年隨著我國新型顯示產(chǎn)業(yè)全球市場份額進一步增大，面板方面核心技術(shù)缺失對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約將更加凸顯。國內(nèi)配套產(chǎn)業(yè)起步晚，技術(shù)基礎(chǔ)弱，對進口依賴程度大，核心工藝設(shè)備被少數(shù)國外廠商壟斷，基板玻璃、液晶材料、偏光片、光學(xué)薄膜等上游關(guān)鍵材料配套方面受到的制約仍然較大。我國上游配套企業(yè)基本屬于中小企業(yè)，技術(shù)與資本沉淀不足，技術(shù)研發(fā)投入有限，在與實力雄厚的國際大廠競爭中劣勢明顯。如何解決核心技術(shù)受制于人、企業(yè)規(guī)模過小、缺少積累以及發(fā)展環(huán)境不甚合理等問題，是決定我國8k顯示產(chǎn)業(yè)下一步能否健康持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

破局

結(jié)合目前中國顯示領(lǐng)域的8k現(xiàn)狀，可以看到在前沿技術(shù)方面，國內(nèi)還是出于非常落后階段。應(yīng)對這一局面，筆者認為主要需要從下面三個方面進行發(fā)力，掌握8k技術(shù)和市場的控制權(quán)。一、牢牢抓住市場優(yōu)勢，大力發(fā)展8k液晶面板的相關(guān)制造核心工藝，從顯示終端方面控制市場。二、深入研究COMS器件，在8k信號源端能提供核心技術(shù)，設(shè)計出有中國特色的CMOS器件。三、在面板工藝、編解碼芯片端進行專利布局，從標(biāo)準(zhǔn)和知識產(chǎn)權(quán)角度進行圈地，遏制國外的競爭對手。