4K引發行動設計大海嘯 GPU/影像處理技術翻新

新通訊 2015 年 2 月號 168 期《 封面故事 》
文．黃耀瑋

行動裝置引爆4K影像處理技術革命。行動裝置機皇規格大戰延燒至4K顯示器，引發影音頻寬不足、系統功耗大增等問題，因而也墊高SoC內建GPU和影像處理機制性能要求，刺激處理器和IP供應商全力研發多核心GPU、H.265影像編解碼、面板訊號運算方案，以及畫素補償等高階演算法，開闢新設計局面。

行動裝置品牌廠點燃2K(WQHD)、4K超高畫質(UHD)顯示器設計戰火。2014年9月，蘋果(Apple)一舉發布兩款大尺寸手機iPhone 6/6 Plus，並在後者導入1,080p(FHD)、畫素密度高達401ppi的視網膜螢幕(Retina Display)；不僅如此，其最新iPad系列平板裝置更全面升級成2K顯示器。這些發展無疑吹響行動裝置高解析度設計號角，刺激其他品牌業者跟進，甚至超前布局4K(UHD)解決方案。

事實上，除蘋果開始大玩新「顯」學外，三星(Samsung)、樂金(LG)、索尼(Sony)和宏達電等Android陣營手機廠也不斷在螢幕和影音功能下功夫，且規格戰更形激烈，目的皆是增添產品銷售亮點，並以更吸睛的功能抗衡以品牌魅力著稱的蘋果。其中，三星和樂金已搶先在2014下半年推出2K解析度顯示器的旗艦機種，並計畫在2015下半年將新一代機皇推升至4K等級，再添市場競爭利器。

隨著高階機種朝4K邁進，價格較親民的平價高規手機也正加速由HD(720p)往FHD、2K設計方向發展，包括華碩、宏達電日前皆在2015年國際消費性電子展(CES)祭出FHD平價手機，而小米、酷派等中國大陸手機廠也競相揭櫫2K手機研發計畫，足見整個行動裝置市場已瀰漫一股高解析度設計風氣。

FHD不夠看　行動裝置將掀2K/4K大戰

IHS DisplaySearch表示，在iPhone 6/6 Plus熱賣的推波助瀾下，2015年採用HD與FHD顯示器的智慧型手機將大幅成長，因此主要中小尺寸面板廠皆規畫在2015年提供HD與FHD解析度的觸控整合型產品(In-cell或On-cell)，並大幅降價以拉攏系統業者。與此同時，手機廠為突顯旗艦機種功能差異，導入2K，甚至4K面板的比重將顯著攀升，預估2015年2K手機將達到約9%滲透率，而4K產品亦可望於下半年相繼問世。

IHS DisplaySearch最新市場訪查報告指出，2015年FHD以上解析度手機將占整體出貨量34%比重，其中，25%為FHD方案，近9%為2K以上的產品(圖1)。相較於2014年，2015年FHD和2K手機出貨比例皆將顯著增長，尤其下半年因零組件成本下降、系統設計趨成熟，且功能規格競賽更加白熱化，FHD與2K手機出貨量更將扶搖直上。


圖1　2012～2018年全球智慧型手機面板解析度分析
根據Android陣營手機廠的產品藍圖，2015年底前UHD機種也將登場亮相，包括面板廠、驅動IC業者都已投入布局6吋左右的UHD顯示器設計方案；同時高通(Qualcomm)、聯發科和輝達(NVIDIA)等處理器大廠，也紛紛發表支援4K顯示和影音編解碼功能的系統單晶片(SoC)。

搶發2K/4K財　面板廠投產動作頻頻


圖2　和輝光電亞太區市場銷售負責人卓建宏強調，因應未來可能發生的專利戰，該公司已布局近千個AMOLED技術專利。

工研院IEK研究員林研詩強調，隨著4K設計風潮由大尺寸電視蔓延至中小尺寸的筆電、平板和手機領域，顯示器產業正加速從量變到質變的過程，以面板解析度規格升級，取代不斷擴充產能的發展模式，進而因應市場潮流並降低營運風險。

也因此，包括台灣面板雙虎，以及中國大陸、日系及韓系面板大廠，皆傾力建置2K或4K中小尺寸液晶顯示(LCD)面板生產線，並積極導入新一代低溫多晶矽(LTPS)製程技術，以達成反應速度較快，且具高亮度、高解析度與低耗電量等優點。

與此同時，主動式矩陣有機發光二極體(AMOLED)市場新兵亦積極布局高解析度面板。由中國大陸上海市政府投資成立的和輝光電，近期成功量產5吋HD AMOLED面板，並開始出貨給大中華區多家手機廠；2015年第二、第三季更計畫再推出5.5吋FHD和2K解析度方案，期在年底前達到每月2.1萬片出貨量，搶分市場杯羹。

事實上，智慧型手機規格差異化愈來愈難突顯，因此品牌廠亟欲擺脫一般LCD面板，轉搭AMOLED方案。和輝光電亞太區市場銷售負責人卓建宏(圖2)表示，AMOLED具備反應速度快、色彩飽和度和對比度較高的特色，逐漸成為品牌廠開發獨特產品的重要武器，近來在中高階手機設計的能見度也快速攀升；為進一步突顯其應用價值，和輝光電更以專利製程技術濾除高能藍光波長，將能有效減輕手機用戶視覺疲勞感，以及眼球黃斑部病變的風險，為AMOLED更添護眼功能利基。

另一方面，卓建宏指出，大中華區4G網路陸續開台，帶動一波長程演進計畫(LTE)手機設計潮；然而，伴隨4G高速傳輸性能而來的則是耗電量遽增等問題，因此手機品牌廠紛紛希望以薄型、無背光源的AMOLED面板，取代現有厚度及耗電量較高的LCD螢幕，進而大幅降低系統功耗，並騰出更多空間擺放大容量電池，以延長4G裝置續航力。

不過，目前AMOLED市場還是三星獨霸一方，此種情形手機品牌廠並不樂見，紛紛冀望市場能有第二、第三供應商的勢力崛起，以達到供需平衡，同時也獲得更多議價空間；因此和輝光電遂乘勢而起，在上海市政府等金主於第一階段投資約60∼70億人民幣下，已建置一座4.5代廠，並安裝完成每月足以生產1.5萬片中小尺寸面板的設備，正逐步開出產能。此外，和輝光電亦將馬不停蹄啟動第二階段投資計畫，以加速量產FHD、2K和可撓式手機面板。

2K/4K顯示設計掀革　手機SoC大添影像處理功能


圖3　ARM多媒體處理部事業開發經理蔡武男提到，虛擬影像、擴增實境可望成為行動裝置供應鏈下一階段的布局重點。

隨著LCD、AMOLED業者競相擴產，2K/4K中小尺寸面板的貨源可望逐一到位；然而，安謀國際(ARM)多媒體處理部事業開發經理蔡武男(圖3)表示，相較於目前配備1,080p解析度螢幕的旗艦級行動裝置，下一代搭載2K或4K顯示器的手機、平板，其內建SoC所需處理的影像資料量將暴增二至四倍，因而引發嚴重的頻寬不足及運算效率不佳等問題，驅動晶片商革新SoC內的GPU核心設計、影像處理軟硬體機制，以及OpenGL/CL應用程式介面(API)支援版本。

蔡武男更指出，由於平價手機規格更迭加速，螢幕解析度可望在2015年由HD、FHD逐漸躍升至2K水準，因而也刺激一線品牌朝2K解析度使用者介面(UI)與更多層堆疊設計，或更高階的4K規格邁進，以突顯差異。

據悉，手機顯示器從HD一路演進至4K，內建GPU架構也將由單核心(HD)、雙核心(FHD)推進至四核心(2K)、八核心(4K)，以擴增頻寬和效能。不過，蔡武男強調，單靠GPU升級還是不足以因應4K所需的超大頻寬，以及更複雜的演算法要求；因此，SoC內部亦須增添新的影像壓縮、編解碼和面板訊號控制設計，並搭配更先進的LPDDR 3/4記憶體，才能全面提升影音處理和電源效率。

對此，ARM遂祭出多媒體子系統方案，包含內建影音編解碼功能且可彈性配置單核至八核心的GPU IP、影像處理器(Video Processor)和顯示處理器(Display Processor)IP，以及幀緩衝補償(ARM Frame Buffer Compression, AFBC)等先進演算法。其中，影像處理器可支援多種影音格式，並進行編碼及壓縮，以節省GPU頻寬需求，而顯示處理器則可針對螢幕動態/靜態畫面執行各種節能或控制演算法；如此一來，SoC將能減輕大容量影像運算負擔，提升整體系統效率。

除影像處理機制翻新外，蔡武男也認為，SoC將加速邁向64位元、CPU/GPU協同運作的異質系統架構(HSA)，以迎合複雜多元的4K影音應用開發需求；至於系統周邊配置亦將改頭換面，包括H.265影音壓縮晶片、eDP高速影音介面，以及開放計算語言(OpenCL)2.0、OpenGL ES3.0/3.1 API皆已成為相關業者競逐焦點，將促進4K設計生態系統快速茁壯。

克服4K頻寬/功耗問題　H.265/HSA技術身價漲

圖4　Imagination多媒體技術行銷總監Peter McGuinness認為，該公司最新PowerVR GPU平台已可滿足大部分4K顯示功能設計需求。

Imagination多媒體技術行銷總監Peter McGuinness(圖4)表示，高解析度顯示設計最大挑戰在於功耗，特別是在周遭環境光線很亮的情況下，背光模組持續增加亮度更是造成系統電源快速消耗的元兇；因此，業界遂提出利用GPU演算法提升螢幕對比度的方法，進而節省整體系統功耗。此外，4K影像處理需要非常大的頻寬，所以SoC也須搭載更高效率的編解碼技術及記憶體內部(In-memory)壓縮方案，以減輕記憶體與空中傳輸介面(傳送/廣播)的頻寬負擔。

Imagination業務開發總監Chris Longstaff進一步指出，目前看來，4K顯示器的功能甜蜜點應該是以60Hz畫面更新率(FPS)來實現，要滿足此一規格，同時兼顧較低系統功耗，高效率H.265編解碼技術絕對是必備元素；為此，Imagination新一代PowerVR GPU平台已內建支援多重影音格式標準的H.265編解碼器(圖5)，並大幅簡化軟體堆疊及DRAM串連設計，以幫助處理器和系統廠加速導入新方案。


圖5　H.265編解碼器電路架構圖
另一方面，長期以來GPU皆透過多管線(Pipeline)、多叢集(Cluster)及多核心設計，達到效能擴充目的；然而，此一發展也讓GPU在SoC中占據的面積逐漸擴大，至今已攀上首位，促使業者希望將GPU用在照相、攝影、顯示影像/視訊等更多資料密集型任務上，以發揮其平行運算架構的價值，並減輕中央處理器(CPU)負載。

因此，HSA基金會應運而生，並已在2014年8月發布暫訂標準(圖6)，將基於OpenCL架構實現CPU/GPU協同運作方案，並逐步建構成各類型IP的完整溝通介面標準，包括高通、聯發科、Imagination和ARM等主要成員正積極推廣。


圖6　HSA標準處理器設計架構圖
Imagination處理器技術行銷總監John Min(圖7)強調，HSA關鍵功能為達成SoC系統層面的一致性，進而精細管理SoC內建IP的任務分布。為提供較純CPU或GPU方案更高效率的處理方式，HSA基金會將以提供可編程平台標準為首要任務，利用SoC內部CPU、GPU和視訊編解碼器三種處理單元，分別執行4K影像處理、編解碼、演算法、繪圖和記憶體/影像介面橋接等功能。

無庸置疑，HSA將涉及大幅度的SoC及GPU架構設計轉變，包括改善SoC內部IP一致性(Coherency)，並以更靈活的韌體管理方案，即時調整CPU、GPU、視訊編解碼器或影像訊號處理器(ISP)的頻寬和功耗預算，同時擴大使用晶片上L3快取記憶體，以提高資料傳輸的電源效率。Min認為，這些功能須仰賴SoC內個別處理單元的協同作業，因此IP業者須提供適合的編程環境，同時還要透過管線設計，讓不同IP有效共享資料，以免除記憶體重覆的資料傳輸流程。


圖7　Imagination處理器技術行銷總監John Min表示，HSA架構涉及多種IP設計和軟體開發知識，必須由整個產業鏈共同推廣才能實現。
隨著原始設備製造商(OEM)必須在功耗限制日益嚴苛的行動裝置中，滿足4K顯示及影像運算需求，支援HSA架構的SoC重要性將與日俱增，從而協助系統廠將運算密集任務轉移到最適當的處理引擎執行，而視覺與計算攝影學等高度平行運算任務，如高動態範圍(HDR)、全景拼接(Panoramic Stitching)、手勢辨識與擴增實境(Augmented Reality)則交由GPU處理，不再處處占用高時脈、高耗電的CPU資源。

為加速實現4K行動顯示器設計，晶片商除搶攻新一代SoC技術外，亦另闢發展路線，期導入經驗證，且成功導入商用的PC級影像處理技術。其中，NVIDIA不僅於2015年CES發表內建高達256顆GPU核心的處理器，更計畫將G-SYNC顯示方案、CUDA平行運算架構等PC端GPU解決方案引進行動領域，以協助品牌廠加速實現畫面逼真且順暢的3D、4K行動裝置，進而帶動市場買氣。

PC級影像處理技術上身　3D/4K手機吸睛力大增

圖8　NVIDIA資深產品經理曹維明指出，手機遊戲畫面品質和操作順暢度已成為用戶購買的重要指標，此亦刺激業者加速採用3D/4K顯示方案。

NVIDIA資深產品經理曹維明(圖8)表示，繼大尺寸電視、顯示器接連導入4K螢幕後，PC也隨著蘋果iMac Retina 5K問世，正式邁向超越4K解析度的設計領域，而平板和手機更被產業鏈看好將引爆下一波4K需求商機，包括品牌商、面板廠、顯示器驅動IC和行動處理器業者皆已競相展開布局，以提供更優質的行動影音播放和遊戲體驗，持續為市場創造新的亮點。

事實上，高通、聯發科、NVIDIA和邁威爾(Marvell)等一線處理器廠均已推出支援4K規格的行動SoC，可滿足4K影音播放，甚至錄影等功能。然而，行動裝置品牌、軟體開發商為突顯產品應用價值，已進一步投入發展4K UI，並重新掀起3D裸眼顯示熱潮，以改善手機操作和遊戲體驗，因而也再度墊高SoC內建GPU及演算法性能要求。

曹維明指出，3D/4K UI不僅增加GPU瞬時負載和面板訊號即時處理負擔，亦引發GPU/面板刷新率同步、影像雜訊濾除和優化等技術挑戰；再加上新產品研發時程和成本預算持續受到壓縮，因此NVIDIA研擬將應用於PC或顯示器的高端GPU技術下放至行動處理器，包括整合更多影像處理單元(或稱核心)的GPU、可實現CPU/GPU協同處理的CUDA平行運算架構，以及可消除螢幕撕裂、垂直同步輸入延遲及跳動等問題的G-SYNC顯示技術，進而快速滿足手機升級3D/4K顯示器的需求。

據悉，NVIDIA已在2015年CES發布新一代行動處理器--Tegra X1，將GPU核心數量推升至256顆，提供媲美PC GPU的Teraflops等級繪圖效能和電腦視覺應用功能。曹維明也透露，該公司計畫在2015∼2016年，逐步將G-SYNC和CUDA技術運用至行動處理器，以更先進的演算法克服3D/4K顯示中複雜光影效果、3D繪圖與立體畫素處理挑戰。

曹維明提到，由於3D/4K影像所需的頻寬非常驚人，因此SoC支援的影像介面及編解碼機制也須翻新，目前該公司已分別開發出新一代eDP、H.265 IP，未來將逐漸導入行動處理器設計，以提升大容量影像傳輸和壓縮效率。

顯而易見，4K顯示方案已成為行動裝置品牌廠產品規格角力的焦點，並牽動一連串行動SoC、GPU、演算法、影像介面和壓縮技術革命；因此，相關供應鏈業者正如火如荼研發新產品，準備在2015下半年大展身手，搶賺4K平板和手機設計第一桶金。