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借硅谷数模的两款产品,谈当代TCON的技术特点

时间:2020-07-13 作者:黄烨锋 阅读:
每个显示面板都需要有一个TCON,它将标准视频信号,转为显示面板需要的特定行、列驱动信号,并发给显示面板的DDIC(驱动IC)。显示面板需要通过不同的方式(LCD、OLED响应方式就不同)从光学上去响应前方传来的电荷——而这个电荷是需要不停刷新的,否则响应就会衰减。
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今年的中国IC设计成就奖,硅谷数模的ANX2403拿到了年度最佳驱动芯片,硅谷数模总裁李旭东也拿下了中国IC产业五大杰出人物的称号。ANX2403是一颗TCON芯片,或者叫时序控制器。我们曾在去年的文章《华为电视参战:电视芯片进入群雄割据时代》提到过这类TCON芯片在显示器产品中所处的位置,及其市场现状——当时分析机构预测,这类产品当前处在相对平缓的发展期。WG0EETC-电子工程专辑

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我们也有幸在中国IC领袖峰会后,专访到了李旭东先生。这也是了解TCON这类型产品发展现状及趋势,一个不可多得的机会。李旭东确认,TCON目前占到硅谷数模年度营收的4-5成。WG0EETC-电子工程专辑

前两年的资料也基本明确了这一点。除了TCON产品线以外,硅谷数模的业务主要还包括了Mobile HD移动高清产品,及IP技术授权——虽然从总收益的角度来说,这两者不及TCON,但显然毛利率也都是比较高的。硅谷数模TCON的毛利率稳定在45%左右。而且李旭东明确:“这三个业务,现在每年也都在以两位数的百分比向前发展。”WG0EETC-电子工程专辑

这也让我们有机会了解,这类多媒体连接相关的产品,在现如今的市场上有着怎样的发展趋势和前景。WG0EETC-电子工程专辑

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硅谷数模总裁李旭东(Patrick Li)WG0EETC-电子工程专辑

TCON未来作用会越来越大

每个显示面板都需要有一个TCON,它将标准视频信号,转为显示面板需要的特定行、列驱动信号,并发给显示面板的DDIC(驱动IC)。显示面板需要通过不同的方式(LCD、OLED响应方式就不同)从光学上去响应前方传来的电荷——而这个电荷是需要不停刷新的,否则响应就会衰减。所以显示面板要求较高精度的时序,以合理的方式去刷新显示面板。简单地说,这就是TCON的作用。WG0EETC-电子工程专辑

说得更具体一些,电脑显示屏的TCON从GPU接收到RGB数据,经过信号处理后将其发往DDIC(Source IC/Gate IC)。而TCON具有DDIC所不具备的控制时间节奏的功能。比如说一个LCD显示屏的分辨率是1920x1080,则可能总共包含了1920*3列,与1080行的像素——这里的3是因为每个像素都有RGB三个子像素。那么就需要总共5760个通道的source driver和1080个通道的gate driver。WG0EETC-电子工程专辑

针对这两类driver,需要发出不同的信号,比如对于source driver而言,有用于切换液晶极性的POL信号、启动输入线脉冲的STH信号、通知source driver所有显示行信号均已接收到的LOCK信号,还有RGB数据本身等等。WG0EETC-电子工程专辑

这些都是TCON的工作。当然其中还涉及很多额外功能的细节,包括电源、背光管理,以及FRC、Gamma调整等。TCON是显示面板中最复杂的芯片,当代显示面板越来越高的分辨率、刷新率、色域、色深,都对TCON的处理能力及前后各种接口的信息传输能力提出了挑战。WG0EETC-电子工程专辑

“未来TCON能够起到的作用会越来越大。”李旭东说。WG0EETC-电子工程专辑

“TCON更多功能的融入,在不同类型的设备上是不一样的。比如说笔记本、手机、平板,这些应用都需要有触控功能。这时显示屏就加入了触摸的功能,触摸反馈的信号就要回传到MCU上。”这就需要TCON去实现进一步的整合。WG0EETC-电子工程专辑

TCON的功能变得多样化这一点,从ANX2403的框图上就能大致看得出来。这套流程中不仅有TCON传统的Gamma调整、FRC等,还能看到其中有PSR、frame buffer、touch这些流程和模块,还有后文ANX2187框图中出现的Overdrive等特性,这部分在后文都将有更多的描述。WG0EETC-电子工程专辑

TCON的智能化、可编程化

在TCON功能多样性上,我们来看一些例子。今年CES 2020展上,硅谷数模发布的ANX2187——这是一款为PC、笔记本显示屏准备的TCON芯片。硅谷数模宣传中这颗芯片的亮点包括了3D色域旋转(3D color gamut rotation)。这个什么功能是什么意思?WG0EETC-电子工程专辑

早前面板制造商,都采用传统的生产方法来控制面板各方面参数精度:以前一块面板的色准主要就取决于生产过程,如果在目标参数匹配上不够的话,面板制造商要逐个调整显示控制DDIC固件达到更好的校准和精度,难度和成本都是比较高的。WG0EETC-电子工程专辑

ANX2187作为一颗TCON,在色域控制方面自然是以光学的方式来进行的:硅谷数模在TCON这个层级给了一个校准引擎,位于信号输入和DDIC之间。这样一来,色彩校准和控制就完全不需要依赖DDIC固件了。面板制造商,在产线上针对每个面板,都可以在自动校准工具的帮助下,给TCON写入偏移或者校准的相关属性,而不需要再考虑复杂的DDIC固件数据。WG0EETC-电子工程专辑

这种技术其实在市场上已经有了,不过以前主要是针对手机和电视,在PC和笔记本领域硅谷数模应该还是第一家。相对的,这颗芯片也能藉由不同的校准方案,处理多种色域,另外还有SDR、HDR切换这样的使用场景。比如说sRGB、DCI-P3这种比较主流的色域切换、颜色映射等。现有手机产品中,切换色域、动态范围这类技术其实已经比较普遍,现如今在笔记本上也能见到了。WG0EETC-电子工程专辑

在和李旭东的对话过程中,我们特别谈到了ANX2187色彩管理部分的低蓝光功能,“它可以用比较低的成本来实现低蓝光。”李旭东说,“低蓝光大家都知道,它对人眼健康很有帮助。我们现在几乎是唯一一家能够用比较低的成本,来帮助面板制造商实现低蓝光方案的企业。”WG0EETC-电子工程专辑

“通过颜色的映射,根据不同的光源及显示环境,在不影响色彩所谓真实度的情况下就能去做调整。我们在TCON里面加入了调整的智能性。通过软件的方式,不需要面板制造商在产线上用非常昂贵的背光源,就能够实现低蓝光。我们也了解到,用我们的TCON做低蓝光实现的话,每个面板能够有3-5美元成本的降低。”WG0EETC-电子工程专辑

通过这种软件的方式,“通过TCON的智能性进行调整”,就能大幅减少时间成本。WG0EETC-电子工程专辑

比较有趣的是,我们在ANX2187这款产品的框图中,看到了有个OCM子系统,其中有个RISC-V核。李旭东介绍说:“今天的TCON里面,有很多智能可编程功能,就是由内部的一个微控制器实现的。我们硅谷数模用RISC-V开源核去实现。我们可以把RISC-V的功能放很大,就能融入更多功能。”WG0EETC-电子工程专辑

“随着制程的发展,从以前的55nm,往28nm、22nm,甚至更先进的制程发展下去,随着功耗的下降,这个微控制器还会加入更多的功能,那么未来像这样的RISC-V核也会成为我们的标配。”WG0EETC-电子工程专辑

“TCON的智能化、可编程化,绝对会成为一个发展方向。”WG0EETC-电子工程专辑

能够更大程度体现李旭东所说的这种TCON可编程化,还体现在ANX2187带触控功能支持。“我们可以把RISC-V功能放很大,它可以集成touch的功能。”“笔记本上做In-cell touch,硅谷数模是全球第一家。”WG0EETC-电子工程专辑

而且这两颗TCON都选择了28nm制程,猜测这与更大程度发挥RISC-V核的“智能化”“可编程化”属性也有很大的关系。WG0EETC-电子工程专辑

“现在的显示屏做得越来越薄,而且还需要窄边框,尤其在屏幕加上touch和更多功能的时候,将来的TCON就需要和MCU进行整合。因为TCON和Driver IC会对整个系统功耗产生很大的影响——好在现在我们已经有28nm制程,预计很快也会有22nm的产品问世,未来还会有16/14nm,那么MCU实现更多的功能就能完全地整合到TCON里面了。”WG0EETC-电子工程专辑

所以我们也不难发现,这两款产品在硅谷数模的官方介绍中列的标题分别是“ANX2187 28nm UHD+ eDP1.4b TCON with In-cell Touch”和“ANX2403 FullHD eDP1.4 TCON with In-cell Touch”,这其中的关键信息除了eDP1.4,以及分辨率支持,就是28nm和In-cell touch这两点了。WG0EETC-电子工程专辑

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In-cell touch是前些年在手机领域就挺火的一个词了,这种技术的实质是将触控层嵌入到LCD内部,让LCD与触控层构成一个整体,而不是将触控层叠在面板上方——在某些情况下它被看作是一种高级的贴合技术。这种技术可以让整个屏幕变薄,系统设计上还会带来一些其它的便利。WG0EETC-电子工程专辑

我们也特别询问了李旭东,作为一种高级的贴合或封装技术,In-cell touch为什么与TCON相关,因为以前的触控层都是有专门的触控IC去控制的。李旭东则告诉我们,在这种技术下,“touch需要通过物理上的连接,连接到source driver。Source driver就需要TCON与其配合才能完成touch的任务。如果是on-cell或者更传统的方案,就不需要我们TCON在里面扮演特别的角色。”WG0EETC-电子工程专辑

实际上,早前传统的触控与显示层简单堆叠的方案,或者类似于on-cell touch的面板,对应的触控IC和DDIC是分开的,这两者也走不同的FPC线路。但全In-cell touch面板要求仅一根FPC,这可能是在TCON芯片需要对触控做出支持的基础——虽然或许在不同层级有其他解决方案。WG0EETC-电子工程专辑

TCON需要哪些竞争力?

“其实In-cell touch会需要较高的功耗,虽然加入这个特性的确带来了很大的帮助,但功耗的确是个挑战。”WG0EETC-电子工程专辑

硅谷数模在ANX2403的新闻稿中提到,这颗TCON是业界最低功耗的全高清eDP时序控制器,“采用28nm工艺技术,将全高清60Hz功耗降至60mW。其功耗较40nm工艺技术降低35%,而较55nm工艺技术则降低50%以上,成为业界功耗最低的定时控制器。此外ANX2403还支持英特尔的低刷新率(LRR)和PSR2,可进一步降低功耗。”WG0EETC-电子工程专辑

低功耗的实现,“里面有很多不同的维度”。 “工艺制程的提升是最主要的影响。”“另外我们也通过PSR给系统带来了功耗的进一步降低。”李旭东说。WG0EETC-电子工程专辑

PSR是一种自刷新技术,在这种技术的加持下,TCON内部会有个buffer用于保持图像显示,不需要再从前端接收视频数据。如果是静止的图像,GPU就能进入低功耗状态,eDP主链接关闭;即便是动态画面,可能仍然存在多个帧内容不变的情况,所以也可以节约功耗。后来的PSR2,则进一步实现仅传输修改后的画面区域,即选择性传输。这些是英特尔的功耗节省方案。WG0EETC-电子工程专辑

这里的frame buffer其实是可以在前文列出的ANX2187框图中看到的,另外像Overdrive这类TCON中的特性(让动态图像更清晰的一种技术),还能与PSR共享这个buffer。WG0EETC-电子工程专辑

除了前面提到的工艺、PSR带来的功耗表现更好,“还有一点,DisplayPort的传输速度是比较高的。ANX2403用的是eDP 1.4——在eDP的实现上,硅谷数模本身就有一些实现低功耗的独门秘籍,所以不管是55nm,还是28nm,我们都能保持比竞争对手更低的功耗。全球很多DP的客户,他们还是会购买我们DP方面的IP,我们的低功耗成为吸引他们很重要的一个原因。”WG0EETC-电子工程专辑

如李旭东所说,这是硅谷数模在TCON市场确保产品竞争力的一个因素。硅谷数模在早年创立之初,通过自身所拥有的专业领域人才,很快就成为HDMI的领导者。“后来我们也积极参与DisplayPort标准,我们也成为DisplayPort的标准制定者之一。所以现如今我们在DisplayPort高速传输方面就积累了相当多的经验和IP。我们的工程师在DisplayPort技术方面,已经有10年以上的经验了。”WG0EETC-电子工程专辑

“在色彩管理方面,我们也是最早开始做HDR的,包括HDR400、HDR600等。加上前面我们提到的In-cell touch,以及诸如ANX2187这个产品线上的3D色域旋转的技术,我们这边称它为Advanced Color Block——通过这项技术,又能以比较低的成本来实现低蓝光。”WG0EETC-电子工程专辑

李旭东的这席话,已经是对本文上述内容的最好总结了。针对这两颗芯片,仍有很多细节是我们没有提到的。比如说ANX2187具备区域调光功能,可对背光参数做编程,以相较传统方案更简单的方式做局部调光——这也是TCON发展路上的一个典型功能代表。WG0EETC-电子工程专辑

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实际上TCON的市场发展,很大程度上依托于面板行业的发展。近些年面板行业的市场规模增长实则很大程度依托于产品平均面积的提升,所以TCON的市场需求量提升呈现出一个缓慢爬坡的迹象。但如前所述,更高分辨率、刷新率、色深、色域显示面板的出现,以及市场对TCON功能多样性的需求,都让TCON的产品复杂度变高了不少。李旭东认为,这对硅谷数模而言,反倒是好事,因为如上所述,硅谷数模在这个领域的技术积累本身就相当丰厚。WG0EETC-电子工程专辑

另外,“屏幕现在变得无处不在,而且需要加入触控功能的屏幕如今所占的百分比也变得越来越高。比如这次疫情期间,学生在家学习都是通过屏幕进行的。人们学习、工作、娱乐的习惯,让屏幕变得无所不在。现在每个人都需要多台设备,甚至多屏使用环境。这对TCON以及硅谷数模来说,都是很好的市场环境。”所以硅谷数模对于TCON的发展是相当看好的。WG0EETC-电子工程专辑

在本次采访中,我们与李旭东先生的对话还涉及到更多硅谷数模Mobile HD产品线的内容,包括硅谷数模USB 4规格的产品上,“我们的High Speed Serdes已经准备就绪,USB 4的相关产品今年年底、明年年初就可以问世。”在李旭东看来,USB 4会成为硅谷数模未来重要的业务增长点和“历史上的发展机遇”。因为篇幅的关系,这里不再展开。WG0EETC-电子工程专辑

责编:Yvonne GengWG0EETC-电子工程专辑

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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