作为FPGA的发明者——赛灵思,手握极具灵活性、高性能的FPGA技术,似乎看别的芯片都有一种嫌弃不够畅快的感觉。当瞄上显示领域时,就会发出来自心底的一问:“一个FPGA就能解决的事,为什么要那么多ASIC/ASSP?”
这个问题的始末需要从HDR说起。
何为HDR?HDR是”High Dynamic Range”的缩写,意思是图像的“高动态范围”,在计算机图形学与电影摄影术中,是用来实现比普通数位图像技术更大曝光动态范围(即更大的明暗对比度)的一组技术。
最近几年,HDR已经从一种专业术语变成消费宣传商用词汇,如移动电话、相机、游戏机等厂商都在说自己设备支持HDR,简而言之,HDR因为可以非常清晰的还原更多图像的细节,从而受到从面板企业到电视行业甚至消费者的广泛关注。
HDR 提供了从黑色到白色的更大范围,或通常所称的更白的白色或更黑的黑色。可以测量到的白色亮度高达10,000 cd/m2 或尼特,而黑色亮度则低至零。在确定亮度范围时,还应考虑色调渐变或亮度形状与像素值的关系。OETF/EOTF 或伽马曲线描述了像素值和相应的发光之间的关系。此外,还包含了更宽广的色彩范围,用来实现更逼真的色彩饱和度级别,从而实现更逼真的色彩表现。
如下图所示,左边是制作出来的内容,类似调色桶,需要尽可能的映射到显示器中。为了最好地将具有较大色彩容量的HDR 内容呈现给具有较小色彩容量的给定显示器,必须完成适当的转换或映射过程。左边需要OEM厂做主芯片的设计,而右边对于面板厂,需要用TCON(时序控制器)芯片来解决色调映射和色量转换。
在屏幕技术方面,从下图可以看出,能够真正表征出HDR的屏幕,只有红色框里的部分。
据酆毅以及相关资料解释,这些新面板中的每一个都需要在其TCON中使用特定的色彩容量映射算法,以正确地定制各种色域和对比度输入,例如混合对数伽马(HLG)、HDR10 和杜比视界。
该算法的目的是提供转换功能,以正确匹配各个面板自身的伽玛曲线特征,并可根据每个供应商的需求进行多次转换。尽管如此,HDR 内容通常伴随着高分辨率和快速刷新率需求,这就极大地增加了TCON输入和输出接口的种类和带宽需求。
以往的方法都是通过专用集成电路(ASIC)或专用半导体产品(ASSP)等专用器件来设计TCON,“这就意味着当你设计TCON时,就需要根据LCD屏、OLED屏、Dual Cell叠屏、Micro LED屏本身技术的不同,都设计一个ASIC。” 酆毅表示:“相应的,不同清晰度,FULL HD (FHD)、UHD、8K都需要设计一套系统,这对屏厂来说是非常大的负担。”
酆毅举例道,目前除了LG之外,其他面板厂还不能完整解决OLED良率问题,如此时去开发ASIC,不仅困难重重,且没有意义。此外,比如新出来的叠屏电视,虽然是基于较为成熟LCD技术来解决背光密度和有效度问题,但也需要新的TCON,来兼顾内外屏幕。
对于赛灵思的FPGA来说,可以根据FHD、UHD、8K的性能需求,来选择对应的FPGA产品系列。
产品这部分,据介绍,对于FULL HD,主频为150兆赫,赛灵思Spartan-6是非常适合的芯片;当演进到4K,主频从150兆赫变到600兆赫,需要使用Kintex-7来实现。同理对于8K,则KintexUltrascale更合适。对此,酆毅还表示,Kintex-7和KintexUltrascale拥有更快的主频, 如Kintex-7普遍可以跑在300MHz,内部实现4K处理只需要双像素并行总线。相较其它FPGA的四像素总线选择,赛灵思的方案可以在逻辑规模成本和功耗上占优。
放眼内容产生到面板这一条线,如下图所示,常规方案中的智能电视,是在主流的TV SoC之外,再加上Mobile SoC,随后通过 ASIC/ASSP设计的TCON。此时对于面板厂来说,要面对各种接口与SoC。如果采用FPGA TCON方案,可以从四级选择变成三级,V-by-One接口还能被剔除。
“三芯片架构与双芯片架构方案对比,最大的不同就是节省了一个主芯片——4K TV SoC。设计变得相对容易,节约设计时间的成本。而有Mobile SoC 替代电视主芯片可以更好的融合Internet的海量内容,无论是专业的流媒体服务还是新兴的社交媒体和自媒体。” 酆毅如此说道。
从市场层面来看,酆毅表示FPGA方案并不会完全替代TCON ASIC/ASSP方案,而是共存状态,ASIC是市场非常成熟的方案。但随着新兴面板和技术的出现,厂商可以不用受ASIC设计的局限,通过FPGA TCON方案快速打入市场。
在客户案例中,酆毅举了视显光电的例子,其8K Media Player是一款集存储、输出分辨率为8K片源的播放器,支持现有主流8K面板。支持现有主流的电视机(夏普、索尼、创维、三星等60Hz和120Hz刷新率电视机),该播放器支持视频片源通过USB3.0写入,并存储于播放器内的SSD固态硬盘,通过独有的高性能视频编码处理器,以HDMI2.0/HDMI2.1/DP1.4接口与8K电视互联输出4K@60Hz、8K@30Hz、8K@60Hz等规格无损的高清视频。
视显光电总经理李兴龙提到:“FPGA的灵活可编程性,为我们快速开发新产品,新技术带来极大的助力。比如我们用FPGA开发了针对视频领域的各种专用传输接口,针对8K应用的HDMI2.1,DP1.4等,我们利用FPGA可编程快速迭代的特点,最早给出解决方案,可以比竞争对手,或者ASIC方案,更快的推出新产品。”
当然,在未来,酆毅称,赛灵思将在大规模使用TCON中,优化成本方面做功夫。