关于日本对未来的8K显示的投入和研究

因为苹果在即将发布的新iPhone上采用OLED屏幕，引致产业链的一系列连锁反应，当中以JDI的惨淡经营最为瞩目，媒体也开始复盘显示面板的发展历程，感叹日本的衰落。但据半导体行业观察特约撰稿人凌动观察，日本已经在未来的8K显示上压下了重大筹码，期望在未来扭转战局。

8k显示背景与优势  

2012年8月23日，联合国旗下的国际电讯联盟ITU通过以日本NHK电视台所建议的7680x4320分辨率作为国际的8K超高画质电视(Super Hi-Vision - SHV)标准。8k，具体是指分辨率达到7680*4320，它相当与16个1080p，4个4k的分辨率。8k意味着更高的采样分辨率，更高的传输带宽，更高效的编解码效率，这些都对半导体行业带来新的技术问题。如此巨大的代价实现8k显示，是否真的有必要吗?回答是肯定的。

首先，UHDTV(8K)的彩色还原度达到75.8%，可以看到4k里边看不到的色彩，如下图，马蹄形是可见色彩的表示，不同的三角形是不同标准所能体现覆盖的彩色范围。传统高清电视的Rec709的色域空间只能覆盖35.9%的色彩范围。新的HDTV的色彩空间可以达到75.8%，我们可以在新的4K电视系统里看到之前看不到的颜色。其次，8k分辨率的提升，相当于4k的4倍数量像素点。8k可以带来超越传统广电画质的压倒性精细感，同时，使用8K进行拍摄，把它变成高清或者4K系统里的应用，通过8K获取更大的空间。最后，8K技术可以让我们可以充分利用摄像机高的动态范围，让我们看到更好的画面。通过HDR技术我们可以从摄像机的感光元件捕捉开始到传输．一直到最终的显示，都可以保持更好的动态范围。8k的应用其实不仅仅在广电领域，在医疗领域其画质精细和色域宽广也具备非常大的应用前景，还有安防、教育等领域也强烈需要8K技术。

图一 8k色彩覆盖率

在2016年12月30日，富士康科技集团总裁郭台铭在广州宣布：由他实际控制的堺显示器株式会社（Sakai Display Production,下称SDP) ，将与广州市政府合作，打造10.5代8K显示器全生态产业园区。这一园区坐落在广州市的郊区增城，总投资额约为610亿元。之前，BOE、夏普、三星和LG都在展会上高调展出了8k电视，无疑，目前世界各国面板厂家都看到了8K这块巨大的奶酪。而日本，在8k技术这块，更是一个先行者。从8k的标准的提交、8k摄像机设计、8K信号源制造和传输方面，均在深耕细作。8k的产业竞争是技术的竞争，归根到底也是半导体产业的竞争。从COMS的成像器件、8k的传输编解码芯片到8k液晶面板的制造工艺，无处不体现着半导体技术的竞争。

日本在8k显示方面布局  

8K显示，从信号源的产生到在观众面前的呈现，需要众多的技术支撑。8k信号源产生，需要CMOS器件技术；信号源产品后，需要进行传输，传输方式有远距离和短距离两种。远距离的卫星传输需要研究各种编码方式和卫星收发技术；端距离传输需要研究高带宽线缆或者多个现有传输方式组合。8k显示，需要研究8k的解码芯片，该芯片设计难度在于海量的视频输出解码，耗资源又功耗高，如何快速解码和降低功耗是一个难题。8k显示面板，如何进行批量生产，达到大众消费水平，也是8k显示面临的一个技术难题。从目前看，日本在COMS器件、编解码芯片和卫星传输方面已经占领了先机。

2.1  日本显示产业曾经的辉煌

上世纪90年代，日本在全球显示技术市场可谓独领风骚，凭借在液晶显示领域的先发优势，日本独揽90%左右的显示面板市场，参与液晶面板制造销售的企业数量也多达9家。松下、夏普、日立、先锋等日本企业几乎是世界面板的绝对控制者。当年，中国国产彩电品牌企业想要拿到日本面板厂商的优质面板供应，何其艰难。甚至有日本面板企业拿次品的货，卖良品的价，缺乏技术与供应话语权的中国彩电厂商则是被动接收哑巴吃黄连。素有“液晶之父”之称的夏普、索尼等企业，代表着日本显示的曾经的辉煌。然而盛极难继，在爆发了日本历史上最严重的经济危机后，日本显示面板产业被韩国后来居上，经此便一蹶不振，走上了一直持续到近期的衰退之路。从图三可以看到，上世纪90年代，日本面板基本上独霸天下，然后一路下滑，到2015年，已经在韩国、中国大陆和***之下了。

图二全球面板市场占有率变迁

在显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、东芝、日立的小型液晶部门整合而成；在2015年1月，JOLED成立，它是在索尼、松下在OLED合作项目终止后，由相关人员组织成立。根据日经新闻的最新报道，JDI预计在2017年完成与JOLED的合并，合并后仍保持JDI的公司名称。从日本这些公司的整合来看，它是不甘于目前的现状的；8k显示，是日本显示行业从新崛起的一个契机。除了在面板方面的布局外，日本企业目前在深入的领域进行技术创新，特别是在电子技术的底层创新——半导体材料领域。半导体器件一直被世界各个国家和地区视为推动经济增长以及保障国家和地区安全的重要命脉，而确保有安全可用的半导体器件也一直是各国（地区）工作的重点。面对半导体先进制造能力不断向亚洲聚拢的趋势，以及物联网时代出现的新需求，美、欧、日均提出重建半导体先进制造能力，以满足自身需求和保持战略独立。日本半导体在部分细分领域具备强大的市场竞争力，如索尼的高端金属互补氧化物半导体图像处理器等。结合8k显示技术，日本半导体产业在前端COMS器件、中间编解码芯片和全球卫星传输方面均筑起了一道技术壁垒，旨在显示领域利用8k技术，再造上世纪90年代的辉煌。

2.2  CIS (CMOS Image Sensor，CMOS图像传感器)

CMOS图像传感器是一个重要的视频采集器件，它将采集图像的光信号转化为电信号。 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）即互补性金属氧化物半导体，可用来感受光线变化的半导体。CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所作成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。

日本企业很早就看到了COMS图像传感器这个商机，索尼，东芝、佳能很早就进入了该领域。2007年索尼发布了首款Exmor传感器，相对以往的传感器CIS，Exmor最大变化是内置了ADC模数转换器，输出不是模拟信号，其实改变就是集成度提高。外置ADC传输数据时，需要设计降噪电路，信号汇聚后再通过外部总线传输到单个或数个ADC之中。而Exmor每列像素拥有独立的ADC，在芯片上即可完成模数转换，最后通过数字总线传输出去。由于Exmor的ADC数量非常庞大，每个ADC能在低频率下运行，仅达到kHz级别，远远低于外置ADC的MHz级别，有效减少了噪声和提升速率，同时，Exmor输出的是数字信号，抗干扰性更好，易于长距离布线。该款产品获得了很大的市场成功。从此，SONY走上了飞速发展的十年。

根据调查统计，CMOS感光元件市场在2015年总市值达到67亿美元，而单单索尼就控制着其中35%的市场份额（36亿美元）。而其余的竞争者都无法撼动索尼的地位，不管是三星（19%）、OmniVision、On Semiconductor、佳能、东芝还是松下。据外媒报道，在未来5年里，CMOS感光元件产业的价值将达到190亿美元。而就目前而言，索尼依然是CMOS感光元件市场的绝对领导者。

要拍摄8K视频，一般需要约3300万像素（7680×4320像素）的摄像元件。为了使红（R）、蓝（B）、绿（G）各色均可获得3300万像素的信息，迄今都使用为每种颜色各配备一枚，共计３枚3300万像素的摄像元件。但同时还必须使用将光分成3色的棱镜。

2014年，NHK面向“8K×4K”视频的拍摄，开发出了高达1.33亿像素的CMOS图像传感器。此次开发的CMOS图像传感器的像素数是原来的4倍，有1.33亿像素，彩色滤镜采用拜耳排列（RBGG）。因此，利用一个摄像元件，G信号可获得约6600万像素的信息，R/B信号可获得约3300万像素的信息。由此，虽为单板彩色摄像方式，但无需像素插值即可生成8K影像。直到2016年，为Leica M开发图像传感器的CMOSIS公司已经宣布其最新产品——具有全局快门的4800万像素CMOS传感器。可见，在8k的COMS器件这块，日本已经在领跑了。NHK这次推出的1.33亿像素的COMS图像器件，笔者估计其中背后肯定有索尼的推动，因为8k这个技术，日本已经把它提到了整个国家的战略高度，必定会组织国内相关技术公司进行集中攻关。

2.3  8k编解码芯片

8k的视频无压缩带宽大概是1080p的16倍，一般1080p@60，色彩空间采用40，带宽也达到1.6Gbps左右，那么8k的带宽也达到25.6Gbps。如此高的带宽，如果直接进行远距离传输肯定不可行，必须进行压缩，最终目标是可以通过现有的网络系统进行远程传输。因此，8k视频的编解码芯片是一个技术关键点。

目前日本的NHK联合株式会社一起开发了采用MPEG—HHEVC(High EfficiencyVideoCoding)／H．265方式的8K超高清影像编码装置及解码装置。日本早已为了更下一代的8K 内容做足准备，不仅是8K 内容拍摄的COMS器件，而且也已经着手为8K 电视商用化投入硬体解码的单晶片。2016年 日本Socionext 与日本NHK 共同合作所推出的SCH801A ，就是一款具备HEVC 解码能力的8K / 60P 硬体解码单晶片。8K 相当于3,300 万画素的动态影像，比起Full HD 高出16 倍，意味着需要庞大的运算能力，所以在这款单晶片出现前多半是透过多个高效能视频处理器并行运算解决，不过随着日本NHK 在2016 年启动8K 广播测试、 2018 年预计商用，也需要更简化终端设备的晶片，故这款单晶片也成为首款可处理8K 影像的单晶片。

图三 索喜8k解码芯片SCH801A

SCH801A与日本超高清卫星广播HEVC编码的标准ARIB STD-B32第一部分一致，能够单芯片单通道解码8K@60P。在之前展示的8k电视样机中，日本企业还展出了另外一种8K芯片，它是利用4k的图像，通过图像算法扩展成8k的显示图像。该算法为通过4K宽带传输4K及8K影像，对用超分辨率重构进行分辨率等级间预测的方式，建立了一种基于小波域超分辨率重构技术的实时预测处理。据笔者了解，目前全球有8k编解码芯片产品厂家寥寥无几，除日企外，仅仅只有一家厂家是美国的企业--安霸，安霸的产品主要用于无人接的8k编码，8k解码芯片尚未问市，推测是软解码。可见，在8k编解码芯片的技术较量中，日本企业占尽了先机。

2.4  8k卫星传输

为了实现8K超高清标准(SHV)播送，日本也开展了卫星传输方式、多路复用技术以及卫星播送系统的相关研究。日本采用了1.2GHz波段广播卫星传输超高清电视进行了研究。引入16APSK(AmpIitudePhaseShifcKeying)，采用滚降系数0．03、符号率33．756Mbaud，一个卫星转发器传输容量为100Mbps，这一传输参数作为AR旧的标准技术条件而获得认可。16APSK的传输容量不高，同时存在传输8k视频数据时候中续器的稳定性问题。为了解决上述问题，NHK致力于改善格栅编码调制的性能。将扩大构成符号的每一个比特的最短欧氏距离的集合分割法用于160AM，并提出了改善前向纠错编码性能的最优化方法；同时，NHK就提高卫星中继器的稳定性进行了研究，还开始研究较现行的行波管功率放大器拥有更好线性的、使用氮化镓材料的固态功率放大器。不仅如此，日本还利用已知的卫星转发器滤波器和功率放大器的非线性特性，开展卫星转发器的非线性特性预矫正的均衡技术。

图四 16APSK改善前后对比

通过这些技术研究，针对8k视频传输，日本搭建了一套新一代的卫星广播系统。外媒报道显示，日本知名的广播卫星运营商B-SAT将会发射新的卫星，以便对未来8K电视节目传输做准备。B-SAT公司的CEO Takashi Yabashi表示，使用卫星传输8K超高清和4K超高清电视节目，提供节目入户服务，是公司一直致力于提供的服务。目前初步计划于在2017年年底发射新的卫星B-Sat 4a，取代现有的B-Sat 3a卫星。B-Sat 4a卫星对传输大容量数据等方面进行了技术增强，以便可以更好的传输8K和4K电视节目，不会出现带宽瓶颈。值得关注的是，在今年早些时候，B-SAT还发射了一颗B-Sat 3b卫星，用于进行4K超高清电视节目的传输。

2016年日本公共广播公司NHK宣布开放8K卫星广播服务，新“超高清”卫星频道为世界首创。NHK广播。该“超高清”频道将于2016年8月正式推出，每日播放时间为上午10点到下午5点，8K内容分辨率高达7680×4320像素，节目包括音乐会和过往2012的年奥运会录像。2016年8月6日开幕的巴西奥运会实现了全球首次8K现场实况转播，其播出图像精细的分辨率和高色彩还原度深受大众的推崇。日本NHK还表示，在2020年7月24日开幕的2020年东京奥运会以及残奥会中，将会使用8K超高清技术来传输比赛视频。

中国国内8k现状与破局

优势

我国在各类电子终端产品产量方面均位于世界前列，面板市场需求量巨大。从全球整体供需角度看，受经济危机影响，国际龙头企业放缓了在本国的产能投资，我国内地成为全球生产线建设的重点，三星、LGD和友达光电均在中国大陆地区投资建设8.5代线。全球新型显示产业布局向中国转移的进程逐渐加快，我国新型显示产业集中度也进一步提高，京津塘、长三角、珠三角以及成渝鄂等四大产业聚集区均已拥有高世代线。可以说全球显示产业的重心正在向中国转移。8k的消费人群相关机构预测，中国将占到40%以上，这个是一个非常大的8k市场。

在8k显示这块，中国在8k液晶面板这块也在不断突破。我国京东方已经成为一匹“黑马”。自从2013年京东方生产出采用ADSDS宽视角技术的98英寸8K显示屏后，京东方在8K产业链上快速布局，不仅成为NHK的8K供货商，三星110英寸8K超高清电视也采用的是京东方自主研发的8K超高清显示屏。按照目前的速度，中国有望在2022年超越韩国，成为世界新晋面板业的老大，BOE将在2023~2027年成为事实上的全球8K面板业技术领导者。

在8k摄像头器件领域，中国Gpixel长光辰芯光电也在发力，联合了TowerJazz 厂商开发出一款具备了一亿五千万像素的成像性能的大尺寸CMOS感光元件，当然离商业应用还有一段距离。从整个产品布局角度来看，日本已经在8k这块进行了全面布局，而我们目前只是在点上进行布局，差距非常之大。中国若想再8k方面持续发力，笔者建议从8k的编解码芯片入手。从目前半导体市场看，中国的是全球增长最快的半导体市场，基本占到全球消耗量的一半。有利的市场环境培育了很多优秀的IC设计企业，通过调控手段和市场导向引导，相信8k编解码芯片很快能诞生。

劣势

但是在8k方面，中国的起步较晚，目前只是在显示面板方面看有点优势，其它方面基本没有涉及基础前沿研究。因此，知识产权筹备缺乏将成为国内自主8k产业发展的主要隐患。国际企业很可能以知识产权作为利器，遏制我国企业的快速发展。根据国家知识产权局发布的《液晶显示产业专利分析报告》统计，液晶显示全球专利申请前10位中，有韩国企业2家、日本企业7家、我国***地区企业1家，没有我国大陆地区的企业。8K领域的竞争，可能会以知识产权或专利作为利器，遏制包括我国企业在内的竞争对手的发展。

中国目前国内装备、零配件和材料领域的基础十分薄弱，严重影响到目前8k面板的生产工艺设备；同时70%以上的零配件和材料依赖进口，关键材料和核心装备也是以国外设备为主。2014年随着我国新型显示产业全球市场份额进一步增大，面板方面核心技术缺失对产业发展的制约将更加凸显。国内配套产业起步晚，技术基础弱，对进口依赖程度大，核心工艺设备被少数国外厂商垄断，基板玻璃、液晶材料、偏光片、光学薄膜等上游关键材料配套方面受到的制约仍然较大。我国上游配套企业基本属于中小企业，技术与资本沉淀不足，技术研发投入有限，在与实力雄厚的国际大厂竞争中劣势明显。如何解决核心技术受制于人、企业规模过小、缺少积累以及发展环境不甚合理等问题，是决定我国8k显示产业下一步能否健康持续发展的关键所在。

破局

结合目前中国显示领域的8k现状，可以看到在前沿技术方面，国内还是出于非常落后阶段。应对这一局面，笔者认为主要需要从下面三个方面进行发力，掌握8k技术和市场的控制权。一、牢牢抓住市场优势，大力发展8k液晶面板的相关制造核心工艺，从显示终端方面控制市场。二、深入研究COMS器件，在8k信号源端能提供核心技术，设计出有中国特色的CMOS器件。三、在面板工艺、编解码芯片端进行专利布局，从标准和知识产权角度进行圈地，遏制国外的竞争对手。