FPGA对显示接口与面板有何作用

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。  

在之前的一场“赛灵思电视与显示技术媒体交流会”上，来自美国硅谷的赛灵思公司大中华区核心市场事业部市场及业务开发总监酆毅（Bob Feng）从HDR聊起，一直解刨到显示行业控制芯片技术和现状。    

HDR 内容和显示实际上包括三个考虑因素：动态范围、光电/电光传递函数(OETF/EOTF) 和宽色域。   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。  

审核编辑：黄飞