כתבה זו עוסקת בדרך שבה מגמות אלו של התקדמות לעבר תכונות חדשות וקצבים מהירים יותר של יציאת דגמים חדשים לשוק מזינות את השימוש המוגבר בהתקני FPGA בתוך המעגלים האלקטרוניים של טלוויזיה ברזולוציה גבוהה.
שאלה: מה המשותף לפריטים הבאים?
* טלפוני iPhone
* הסרט אווטאר בתלת–ממד (הסרט החדש של ג’יימס קאמרון)
* מצלמות רפלקס בעדשה יחידה (SLR) ספרתיות
* מכשירי טלוויזיית LCD ספרתית
תשובה: כולם עדות לכך שהצרכנים מעדיפים באופן מובהק מוצרים עם מראה “מהמם”.
הקדמה
שוק מכשירי הטלוויזיה הספרתית גדל ככל שגדל מספר מכשירי הטלוויזיה הספרתית מבוססי תצוגת גביש נוזלי (LCD) – בקצב גידול שנתי של 22% (איור 1). תחזיות שהתקבלו מהתקופה האחרונה מציגות גידול של 6% בשנת 2010 אל מול ירידה של 1% בשנת 2009.
איור 1: קצב הגידול של שוק מכשירי טלוויזיה ספרתית מבוססי LCD
הפונקציות המסורתיות של טלוויזיה ספרתית
הדרישות הלוגיות הספרתיות שאותם כפו מכשירי טלוויזיה עם תצוגת LCD עם תצוגת פלזמה (PDP) ומקרנים היו דומות מאוד, ועיקרן עיבוד וידיאו ותקשורת ברוחב פס רחב משבב לשבב. חברת Altera פיתחה פתרונות לפונקציונליות זו וכיום, היא תומכת בהם.
הפונקציות המסורתיות שאותם תכננו עד כה יצרנים של מכשירי טלוויזיה ספרתית באמצעות התקני FPGA מסוג Cyclone® של Altera® כוללות:
• בקר תזמונים (TCON) שפועל באמצעות אלגוריתמים קנייניים של הלקוח
• נכסים אינטלקטואליים (IP) בתחום הוידיאו כמו למשל גוונון (dithering) בזמן או במרחב
• שיפור איכות התמונה, כמו למשל בעת המרת קצב המסגרות או עמעום מקומי עבור יחידות עם הארת LED אחורית
• ממשק תצוגה שכולל פרוטוקולים של הדור הבא כדוגמת V–by–One ו–DisplayPort
באיור 2 שלהלן, ניתן לראות את הזיקה ההדדית שבין פונקציות משנה אלה.
איור 2. מימוש בהתקני FPGA של פונקציית TCON
פונקציות הטלוויזיה הספרתית של הדור הבא
השאלה הגדולה של הטלוויזיה הספרתית היא “מהי טכנולוגיית פריצת הדרך הבאה?” לפי Display Search, טכנולוגיות מתקדמות כדוגמת תאורת LED אחורית ותלת–ממדית, וכן קצבי מסגרות גבוהים יותר (כלומר גבוהים מ–120 מגה–הרץ) יניעו את הגידול המואץ של מכשירי טלוויזיה מבוססי LCD במהלך השנים הבאות. גורמים נוספים הבאים לידי ביטוי הם לחצים כלכליים מתמשכים לעלויות נמוכות והתנועה ה”ירוקה” לשימוש בהספק נמוך יותר.
סדרת התקני FPGA מסוג Cyclone של Altera מותאמת היטב למימוש מהיר של פונקציות מסורתיות אלו. ספקים אחרים של מוליכים למחצה יכולים לטעון שהם מממשים במהירות את הפונקציות האלו במוצרי ASSP או בהתקני ASIC במערכות על שבב (SoC). מכשירי טלוויזיה ספרתית הם מוצרי ייצור המוני שהם גם רגישים למחיר, אם כי אורך מחזור החיים של כל דגם קצר ביותר. יצרני OEM של מכשירי טלוויזיה ספרתית משלבים תמיד תכונות חדשות שיתנו מענה למגמות שוק, וקבוצת התכונות בדור הבא של ימינו אינה יוצאת דופן והיא מקשה להצדיק את ההחזר על ההשקעה הדרושה למוצרי ASSP חדשים או להתקני ASIC חדשים במערכות על שבב.
בין תכונות הטלוויזיה הספרתית של הדור הבא ניתן לכלול:
• רזולוציה טובה יותר (כלומר 1080p עד 4k2k)
• תלת ממד
• תאורת LED אחורית
• מידות מסך גדולות יותר
• קצבי מסגרות גבוהים יותר (כלומר 120–240 מגה–הרץ)
* עלויות נומכות יותר
• צריכת הספק נמוכה יותר
האתגרים בתכנון טלוויזיה ספרתית
כיצד אם כן יכולים יצרני OEM לשלב את התכונות החדשות האלו ובו בזמן להתמודד עם האתגרים הטכניים והעסקיים היום–יומיים של תכנון תת–מערכות אלקטרוניות חדשות?
חלק מהאתגרים האלה כוללים:
אתגרים טכניים
• ממשקי התצוגה הקיימים אשר מחברת את מערכות המשנה לא עומדים עוד ברוחב הפס (כלומר LVDS)
• בחירה בארכיטקטורה הטובה ביותר לחיבור וידיאו פנימי וחיצוני; HDMI, DVI או אחר
• המשמעות של קצבי מסגרות גבוהים יותר עם רזולוציה גבוהה יותר היא קצבי נתונים גבוהים יותר הדורשים יכולת עיבוד וידיאו גבוהה יותר ורוחב פס גדול יותר לצורך העברת נתונים בין מערכות המשנה
• הקטנת ההספק
אתגרים עסקיים
• בידול המוצר לעומת המתחרים
• על המהנדסים ללמוד טכנולוגיות וארכיטקטורות חדשות
• הקטנת עלויות
• מחזור חיים קצר יותר לכל דגם
• מחזור פיתוח קצר יותר
טכנולוגיות חדשות
• V–by–One, DisplayPort, Embedded DisplayPort וכיו”ב
• תכונות התקני FPGA של הדור הבא
השימוש בהתקני FPGA הולך ומתרחב, שכן התקנים אלו מספקים את הגמישות הגדולה ביותר, זמן היציאה לשוק המהיר יותר ומבנה עלויות נמוך במידה מספיקה (בהשוואה למוצרי ASSP או להתקני ASIC במערכות על שבב). כל אלו מאפשרים ליצרני OEM למכור דגמים חדשים עם מחירי מכירה ממוצעים גבוהים יותר, עם תכונות חדשות ועם פונקציונליות מורחבת.
דוגמה לממשק מעגל:
על מנת לתאר באופן מדויק יותר את הערך של התקני FPGA, נציג בפירוט אתגר טכני אחד ותכונה חדשה אחת.
צוואר הבקבוק של רוחב הפס
רוב עיבוד הווידיאו במכשיר טלוויזיה ספרתית נעשה במערכת מעגל הווידיאו. ככל שנדרש עיבוד רב יותר כדי לטפל בתכונות ובפונקציות חדשות, יש צורך ברוחב פס גדול יותר כדי להעביר את המידע הזה למעגל הבקרה. רוב מכשירי הטלוויזיה הספרתית משתמשים בטכנולוגיית LVDS כממשק בין שני המעגלים (איור 3).
איור 3. צוואר הבקבוק של רוחב הפס בממשק המעגלים
אמנם אפשר להגדיל את מספר הכניסות והיציאות של התקני LVDS כדי לטפל ברוחבי פס גדולים יותר, אבל בדרך זו גדלה גם העלות: מחבר LVDS גדול יותר בשני המעגלים, כבל שטוח רחב יותר בין המחברים וחיבורים מהירים נוספים הדרושים במעגל המודפס של מעגל הווידיאו ושל מעגל הבקרה.
ברור שחיבור הכניסה והיציאה של המקמ”שים יכולים לתמוך ברוחבי פס גבוהים יותר. עם האימוץ של פרוטוקולי וידיאו חדשים מבוססי מקמ”שים כדוגמת מערכת LVDS מהירה,
V–by–One ו–DisplayPort צוואר הבקבוק שבין מעגלי הוידיאו והבקרה יבוטל וגם ייווצר נתיב ברור לתמיכה ברוחבי פס גבוהים יותר בעתיד. בנוסף, המעבר ממערכת LVDS לכניסות ויציאות במקמ”שים מסייע להקטין את העלויות ומוביל ליתרונות הבאים:
• מחברים וכבלים קטנים יותר וזולים יותר (מ-25 ל-4 כניסות ויציאות)
• חיבורים מועטים יותר במעגלים המביאים לשימוש בשטח מעגל קטן יותר ומקטינים את עלות המעגל המודפס
• פחות הפרעות skew בנתונים עקב השימוש באותות שעון משובצים
• פחות הפרעות EMI
• הספק נמוך יותר
תאורת LED אחורית
תאורת LED אחורית היא תכונה חדשה שמאפשרת שיפור רב בבהירות התמונה. הצרכנים רואים רק דוגמאות שדוחפות באופן משמעותי כלפי מעלה את התחזיות לגבי תכונה זו (עיין באיור 4).
איור 4. תחזית למכשירי טלוויזיה עם תאורת LED לתצוגת LCD
כיום אין תקן לבקרה של תאורת LED אחורית. מסיבה זו, אלגוריתמי הבקרה שונים עבור כל ספק, שונים עבור כל גודל של מכשיר טלוויזיה ספרתית (40 אינץ’ לעומת 52 אינץ’), וימשיכו להשתנות ככל שהעלויות של תאורת LED יאפשרו הוספה של נוריות LED נוספות לכל מקטע (איור 5). שילוב פונקציונליות של תאורת LED אחורית בתוך התקני ASIC או מוצרי ASSP למכשירי טלוויזיה ספרתית אינו הגיוני מבחינה עסקית כתוצאה מהדרישות המשתנות, עובדה המותירה להתקני FPGA למלא את הפער. אפשר בקלות לממש עם התקני FPGA מסוג Cyclone IV GX של Altera את כניסות ויציאות המקמ”שים הנחוצות כדי לבטל את צוואר הבקבוק בממשק התצוגה, ועל מנת לספק עיבוד עזר לווידיאו עבור תאורת LED אחורית, תוך פעולה בצד מוצרי ASSP או התקני ASIC של מעבד הווידיאו הקיים.
איור 5. עקרונות הבסיס של תאורת LED אחורית
פונקציית HDTV נוספת שאותה אפשר לממש בעזרת התקני FPGA, אם כי אין היא נכללת במסגרת מאמר זה, היא הקטנת הרעש.
הפתרונות של Altera
חברת Altera ושותפותיה העסקיות מספקות קבוצה מוקשחת של יחידות בסיס עבור יצרני OEM של מכשירי טלוויזיה ספרתית כולל:
• התקני FPGA מסוג Cyclone IV עם יכולת עיבוד DSP משובצת, בקרי 32 סיביות משובצים לנכסי IP וכניסות ויציאות מקמ”שים מהירות
• נכסי IP לעיבוד וידיאו ותמונה
• נכסי IP לממשקים
• נכסי IP לבקר זיכרון מהיר
• תכנונים לדוגמה
סוויטת עיבוד הווידיאו והתמונה (IPS–VIDIO) של Altera היא חבילת נכסים אינטלקטואליים המורכבת מתשע פונקציות עם פרמטרים שאפשר לשנות אותם באופן סטטי, ובמקרים מסוימים אף באופן דינמי.
חברת Altera ושותפותיה מספקות גם ליבות ממשקים שנדרשות לעתים במערכת וידיאו.
נוסף על כך, Altera מציעה ערכות פיתוח שונות, כרטיסי בת ומעגלי הדגמה, כולל אלה המשמשים בתקנים HDMI, DVI, V–by–One ו–DisplayPort.
מסקנות
הפריחה של דגמים רבים ושונים כל כך של מכשירי טלוויזיה ספרתית, הנודעים יותר במושגים של דרישות קיטוע שוק ודרישות בידול שוק אזורי, בשילוב עם התשוקה להוספה של תכונות ופונקציות חדשות, על מנת לתת מענה לדרישות הצרכנים המשתנות במהירות – אלו הם הסיבות לכך שפתרונות טלוויזיה ספרתית מבוססי FPGA יגדילו, על פי הצפוי, את נתח השוק שלהם. קצבים מהירים יותר של יציאה לשוק של דגמים חדשים מניעים אף הם את השימוש הגובר בהתקני FPGA. לא חשוב אלו מבין תקני הטכנולוגיה יאומצו (או יהפכו להיות התקנים בפועל), לכולם יש מאפיין משותף אחד: הטכנולוגיה שלהם והמודל העסקי שלהם מוצאים את פתרונותיהם הטובים ביותר באמצעות הפתרונות המבוססים על התקני FPGA של Altera.
