FPGA對顯示接口與面板有何作用

作為FPGA的發(fā)明者——賽靈思，手握極具靈活性、高性能的FPGA技術(shù)，似乎看別的芯片都有一種嫌棄不夠暢快的感覺。當(dāng)瞄上顯示領(lǐng)域時，就會發(fā)出來自心底的一問：“一個FPGA就能解決的事，為什么要那么多ASIC/ASSP？” ? 這個問題的始末需要從HDR說起。 ? 何為HDR？HDR是”High Dynamic Range”的縮寫，意思是圖像的“高動態(tài)范圍”，在計算機圖形學(xué)與電影攝影術(shù)中，是用來實現(xiàn)比普通數(shù)位圖像技術(shù)更大曝光動態(tài)范圍（即更大的明暗對比度）的一組技術(shù)。 ? 最近幾年，HDR已經(jīng)從一種專業(yè)術(shù)語變成消費宣傳商用詞匯，如移動電話、相機、游戲機等廠商都在說自己設(shè)備支持HDR，簡而言之，HDR因為可以非常清晰的還原更多圖像的細(xì)節(jié)，從而受到從面板企業(yè)到電視行業(yè)甚至消費者的廣泛關(guān)注。 ?

在之前的一場“賽靈思電視與顯示技術(shù)媒體交流會”上，來自美國硅谷的賽靈思公司大中華區(qū)核心市場事業(yè)部市場及業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)酆毅（Bob Feng）從HDR聊起，一直解刨到顯示行業(yè)控制芯片技術(shù)和現(xiàn)狀。 ? ?

HDR 內(nèi)容和顯示實際上包括三個考慮因素：動態(tài)范圍、光電/電光傳遞函數(shù)(OETF/EOTF) 和寬色域。 ? HDR 提供了從黑色到白色的更大范圍，或通常所稱的更白的白色或更黑的黑色?？梢詼y量到的白色亮度高達(dá)10,000 cd/m2 或尼特，而黑色亮度則低至零。在確定亮度范圍時，還應(yīng)考慮色調(diào)漸變或亮度形狀與像素值的關(guān)系。OETF/EOTF 或伽馬曲線描述了像素值和相應(yīng)的發(fā)光之間的關(guān)系。此外，還包含了更寬廣的色彩范圍，用來實現(xiàn)更逼真的色彩飽和度級別，從而實現(xiàn)更逼真的色彩表現(xiàn)。 ?

如下圖所示，左邊是制作出來的內(nèi)容，類似調(diào)色桶，需要盡可能的映射到顯示器中。為了最好地將具有較大色彩容量的HDR 內(nèi)容呈現(xiàn)給具有較小色彩容量的給定顯示器，必須完成適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換或映射過程。左邊需要OEM廠做主芯片的設(shè)計，而右邊對于面板廠，需要用TCON（時序控制器）芯片來解決色調(diào)映射和色量轉(zhuǎn)換。 ?

在屏幕技術(shù)方面，從下圖可以看出，能夠真正表征出HDR的屏幕，只有紅色框里的部分。 ?

據(jù)酆毅以及相關(guān)資料解釋，這些新面板中的每一個都需要在其TCON中使用特定的色彩容量映射算法，以正確地定制各種色域和對比度輸入，例如混合對數(shù)伽馬(HLG)、HDR10 和杜比視界。 ? 該算法的目的是提供轉(zhuǎn)換功能，以正確匹配各個面板自身的伽瑪曲線特征，并可根據(jù)每個供應(yīng)商的需求進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換。盡管如此，HDR 內(nèi)容通常伴隨著高分辨率和快速刷新率需求，這就極大地增加了TCON輸入和輸出接口的種類和帶寬需求。 ? 以往的方法都是通過專用集成電路(ASIC)或?qū)Ｓ?a target="_blank">半導(dǎo)體產(chǎn)品(ASSP)等專用器件來設(shè)計TCON，“這就意味著當(dāng)你設(shè)計TCON時，就需要根據(jù)LCD屏、OLED屏、Dual Cell疊屏、Micro LED屏本身技術(shù)的不同，都設(shè)計一個ASIC。” 酆毅表示：“相應(yīng)的，不同清晰度，F(xiàn)ULL HD （FHD）、UHD、8K都需要設(shè)計一套系統(tǒng)，這對屏廠來說是非常大的負(fù)擔(dān)?！?? 酆毅舉例道，目前除了LG之外，其他面板廠還不能完整解決OLED良率問題，如此時去開發(fā)ASIC，不僅困難重重，且沒有意義。此外，比如新出來的疊屏電視，雖然是基于較為成熟LCD技術(shù)來解決背光密度和有效度問題，但也需要新的TCON，來兼顧內(nèi)外屏幕。

? 對于賽靈思的FPGA來說，可以根據(jù)FHD、UHD、8K的性能需求，來選擇對應(yīng)的FPGA產(chǎn)品系列。 ? 產(chǎn)品這部分，據(jù)介紹，對于FULL HD，主頻為150兆赫，賽靈思Spartan-6是非常適合的芯片；當(dāng)演進(jìn)到4K，主頻從150兆赫變到600兆赫，需要使用Kintex-7來實現(xiàn)。同理對于8K，則KintexUltrascale更合適。對此，酆毅還表示，Kintex-7和KintexUltrascale擁有更快的主頻， 如Kintex-7普遍可以跑在300MHz，內(nèi)部實現(xiàn)4K處理只需要雙像素并行總線。相較其它FPGA的四像素總線選擇，賽靈思的方案可以在邏輯規(guī)模成本和功耗上占優(yōu)。 ?

放眼內(nèi)容產(chǎn)生到面板這一條線，如下圖所示，常規(guī)方案中的智能電視，是在主流的TV SoC之外，再加上Mobile SoC，隨后通過 ASIC/ASSP設(shè)計的TCON。此時對于面板廠來說，要面對各種接口與SoC。如果采用FPGA TCON方案，可以從四級選擇變成三級，V-by-One接口還能被剔除。 ?

“三芯片架構(gòu)與雙芯片架構(gòu)方案對比，最大的不同就是節(jié)省了一個主芯片——4K TV SoC。設(shè)計變得相對容易，節(jié)約設(shè)計時間的成本。而有Mobile SoC 替代電視主芯片可以更好的融合Internet的海量內(nèi)容，無論是專業(yè)的流媒體服務(wù)還是新興的社交媒體和自媒體。” 酆毅如此說道。 ? 從市場層面來看，酆毅表示FPGA方案并不會完全替代TCON ASIC/ASSP方案，而是共存狀態(tài)，ASIC是市場非常成熟的方案。但隨著新興面板和技術(shù)的出現(xiàn)，廠商可以不用受ASIC設(shè)計的局限，通過FPGA TCON方案快速打入市場。 ?

在客戶案例中，酆毅舉了視顯光電的例子，其8K Media Player是一款集存儲、輸出分辨率為8K片源的播放器，支持現(xiàn)有主流8K面板。支持現(xiàn)有主流的電視機（夏普、索尼、創(chuàng)維、三星等60Hz和120Hz刷新率電視機），該播放器支持視頻片源通過USB3.0寫入，并存儲于播放器內(nèi)的SSD固態(tài)硬盤，通過獨有的高性能視頻編碼處理器，以HDMI2.0/HDMI2.1/DP1.4接口與8K電視互聯(lián)輸出4K@60Hz、8K@30Hz、8K@60Hz等規(guī)格無損的高清視頻。

? 視顯光電總經(jīng)理李興龍?zhí)岬剑骸癋PGA的靈活可編程性，為我們快速開發(fā)新產(chǎn)品，新技術(shù)帶來極大的助力。比如我們用FPGA開發(fā)了針對視頻領(lǐng)域的各種專用傳輸接口，針對8K應(yīng)用的HDMI2.1，DP1.4等，我們利用FPGA可編程快速迭代的特點，最早給出解決方案，可以比競爭對手，或者ASIC方案，更快的推出新產(chǎn)品?！?? 當(dāng)然，在未來，酆毅稱，賽靈思將在大規(guī)模使用TCON中，優(yōu)化成本方面做功夫。 ?

審核編輯：黃飛

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