三星電子系統半導體部門開發人員暢談支援8K超高畫質電視的半導體技術

on 07.05.2021
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(左起)負責建構三星8K電視積體電路的開發人員-Sangdeok Kim、Hansoo Seong、Junghyun Lim及Yongjoo Song

 

隨著高畫質電視持續進化,螢幕中所顯示的世界已比過往更加真實。而代表頂級新標準的8K電視,可透過生動的高畫質影像,將沉浸式體驗發揮得淋漓盡致,使螢幕中的場景宛如真實呈現用戶眼前。

 

而所搭載的半導體技術不斷進步,使電視得以實現超凡清晰的解析度。透過DTV SoC(數位電視系統單晶片)、T-CON(時脈控制器)與DDI(顯示驅動器IC)等解決方案支援,電視被賦予擁有更高解析度的能力。三星新聞中心專訪S6HD820(其揭開8nm(註一) DTV SoC晶片新紀元)、S6TST21(為業界首顆8K 120Hz T-CON晶片)以及S6CT9BC(最高速度達8Gbps的DDI晶片)的開發人員,分享這些解決方案背後鮮為人知的創新歷程。

 

DTV SoCDDI-將影像訊號傳送至顯示器

有別於以往電視僅用來觀看節目,其所扮演的角色隨時間演進已逐步擴大。電視現已成為可用於健身鍛鍊、玩遊戲以及進行各式活動的平台。由於人們對電視多元功能的期待,其所搭載的功能已更多樣化並達更高水準。

 

電視為內容輸出的裝置,因此高畫質成為滿足用戶期望的一大關鍵因素。數位訊號在透過螢幕呈現前,會經過三個階段:首先,DTV SoC會從廣播系統或網路接收壓縮資料,將資料擷取後轉換成視訊,再將視訊和聲音傳送到螢幕與喇叭上。接著,T-CON會接收經處理的影像資料,以準確的時間點將其傳送到DDI,確保運作順暢。最後,傳送到DDI的數位訊號會轉換成類比格式,透過電視螢幕顯示出影像。

 

運用「單晶片」簡化DTV SoC,並強化NPU功能

從有線電視或機上盒接收影像資料的DTV SoC,又稱為「電視的大腦」。DTV SoC開發團隊成員Hansoo Seong指出:「DTV SoC從壓縮的輸入流中分別擷取聲音和影像訊號,且能根據每一個顯示的影像調校聲音和影像資訊。」

 

 

隨著畫質從4K發展到8K水準,DTV SOC的角色重要性日趨提升。三星開發人員致力探究可支援8K解析度,同時降低耗電量的解決方案。在DTV SoC中應用神經處理單元(NPU),便能透過AI技術提升整體畫質與聲音處理品質,進而增加輸出呈現的精準度。除此之外,DTV SoC亦與升頻IC(註二)整合,以提升能源效率。

 

打造8nm(註一)DTV SoC(即S6HD820)的最大障礙,即為運用複雜的工程技術將兩顆IC整合到單一晶片中,並解決其衍伸的過熱問題。Hansoo Seong表示:「效能越好的NPU,越能強化AI的學習功能,進而使電視具更出色的效能。不過,如此也會增加半導體設計的複雜程度,並產生較顯著的過熱狀況。最終,我們努力找出平衡點避免發生過熱問題,成功讓此解決方案呈現最理想的效果。」

 

T-CON的演進:從兩顆60Hz晶片到120Hz單晶片

T-CON透過DTV SoC收集影像資料,並根據DDI的需求加以轉換資料。參與三星最新8K T-CON研發工作的Junghyun Lim解釋:「面板尺寸越大、解析度越高,T-CON的角色則愈加重要。在高解析度影像資料必須迅速傳送到DDI的前提下,T-CON的資料傳輸速度即成為關鍵。」

 

 

從4K提升到8K,螢幕解析度提高了四倍,需要傳輸的資料量亦增加了四倍。換言之,T-CON 的速度亦需同步強化。開發團隊採用新的節點製程並簡化晶片,解決了因速度急遽上升而導致的過熱問題。此外,團隊亦將兩顆8K 60Hz晶片整合成單一的S6TST21。

 

過往的8K電視系統需要4種半導體,包括DTV SoC、8K升頻IC(註二),以及兩顆T-CON。透過整合DTV SOC和升頻IC(註二)為一個解決方案,並將兩顆T-CON合併成單顆後,全新系統所需的半導體總數便能縮減至2種,亦可簡化電路板設計。

 

整合DDI提升速度,並減少晶片數量

在將影像顯示出來之前,DDI會負責處理最後程序,將從T-CON接收到的數位資料,轉換為顯示器輸入資料的類比訊號。參與開發DDI的Yongjoo Song表示:「DDI需要迅速且精確地將高類比電壓傳送到面板,以準確顯示來自T-CON的影像資料。」

 

 

為了順利提升電壓,需要一顆可同時處理高電壓,且防止過熱問題的新驅動IC。Yongjoo Song指出:「提升驅動器的緩衝速度是最艱難的挑戰。在我們透過一系列方法,調整了電路結構和配置,以減低驅動IC的輸入與輸出延遲後,終於成功研發出可加速運作的全新驅動IC。」

 

開發出高速運作的DDI,使得DDI的需求數量幾乎減少一半,同時相關晶片的數目亦大幅減少,讓電視面板的建構工序變得更簡單。

 

技術領先的祕訣:三星自家介面和有機半導體的開發

從4K到8K電視發展,三星技術穩坐領先地位背後的秘密在於其專門技術,以及多年來積累的消費者信任度。此外,三星持續分析市場和科技趨勢,並將發現與洞見應用於產品上,而三星自家介面亦在當中扮演關鍵推手。Sangdeok Kim談到:「三星介面不僅擁有速度上的優勢,更運用了半導體驅動技術。採用自家開發的業界最高速介面,得以打造8K電視DDI。」

 

 

三星另一項獨特優勢,是以相互協作模式開發DTV SoC、T-CON和DDI,有效地將須同步運作的三項元件進行整合與相容性驗證。

 

 

對於8K電視技術和半導體的未來發展,三星系統半導體業務的開發人員難掩雀躍的心情。Yongjoo Song憶述:「當初首次參與此領域工作,即為打造FHD解析度電視的半導體。當產品投入量產時,那份自豪感至今仍讓我記憶猶新。現在,電視的解析度已突破4K並達到8K標準,電視螢幕的尺寸也變得越來越大。隨著更高解析度的電視投入市場,半導體將成為讓電視執行複雜功能的必要元件,開發工序亦將面臨更多挑戰;然而,克服這些挑戰,即是我們身為開發人員始終追求不懈的目標。」

 

註一:nm係指奈米。
註二:升頻IC(Upscaling IC):將低解析度影像轉換成高解析度影像的半導體(將2K和4K轉換成8K影像)

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