關于日本對未來的8K顯示的投入和研究

因為蘋果在即將發(fā)布的新iPhone上采用OLED屏幕，引致產業(yè)鏈的一系列連鎖反應，當中以JDI的慘淡經營最為矚目，媒體也開始復盤顯示面板的發(fā)展歷程，感嘆日本的衰落。但據半導體行業(yè)觀察特約撰稿人凌動觀察，日本已經在未來的8K顯示上壓下了重大籌碼，期望在未來扭轉戰(zhàn)局。

8k顯示背景與優(yōu)勢

2012年8月23日，聯合國旗下的國際電訊聯盟ITU通過以日本NHK電視臺所建議的7680x4320分辨率作為國際的8K超高畫質電視(Super Hi-Vision - SHV)標準。8k，具體是指分辨率達到7680*4320，它相當與16個1080p，4個4k的分辨率。8k意味著更高的采樣分辨率，更高的傳輸帶寬，更高效的編解碼效率，這些都對半導體行業(yè)帶來新的技術問題。如此巨大的代價實現8k顯示，是否真的有必要嗎?回答是肯定的。

首先，UHDTV(8K)的彩色還原度達到75.8%，可以看到4k里邊看不到的色彩，如下圖，馬蹄形是可見色彩的表示，不同的三角形是不同標準所能體現覆蓋的彩色范圍。傳統(tǒng)高清電視的Rec709的色域空間只能覆蓋35.9%的色彩范圍。新的HDTV的色彩空間可以達到75.8%，我們可以在新的4K電視系統(tǒng)里看到之前看不到的顏色。其次，8k分辨率的提升，相當于4k的4倍數量像素點。8k可以帶來超越傳統(tǒng)廣電畫質的壓倒性精細感，同時，使用8K進行拍攝，把它變成高清或者4K系統(tǒng)里的應用，通過8K獲取更大的空間。最后，8K技術可以讓我們可以充分利用攝像機高的動態(tài)范圍，讓我們看到更好的畫面。通過HDR技術我們可以從攝像機的感光元件捕捉開始到傳輸．一直到最終的顯示，都可以保持更好的動態(tài)范圍。8k的應用其實不僅僅在廣電領域，在醫(yī)療領域其畫質精細和色域寬廣也具備非常大的應用前景，還有安防、教育等領域也強烈需要8K技術。

圖一 8k色彩覆蓋率

在2016年12月30日，富士康科技集團總裁郭臺銘在廣州宣布：由他實際控制的堺顯示器株式會社（Sakai Display Production,下稱SDP) ，將與廣州市政府合作，打造10.5代8K顯示器全生態(tài)產業(yè)園區(qū)。這一園區(qū)坐落在廣州市的郊區(qū)增城，總投資額約為610億元。之前，BOE、夏普、三星和LG都在展會上高調展出了8k電視，無疑，目前世界各國面板廠家都看到了8K這塊巨大的奶酪。而日本，在8k技術這塊，更是一個先行者。從8k的標準的提交、8k攝像機設計、8K信號源制造和傳輸方面，均在深耕細作。8k的產業(yè)競爭是技術的競爭，歸根到底也是半導體產業(yè)的競爭。從COMS的成像器件、8k的傳輸編解碼芯片到8k液晶面板的制造工藝，無處不體現著半導體技術的競爭。

日本在8k顯示方面布局

8K顯示，從信號源的產生到在觀眾面前的呈現，需要眾多的技術支撐。8k信號源產生，需要CMOS器件技術；信號源產品后，需要進行傳輸，傳輸方式有遠距離和短距離兩種。遠距離的衛(wèi)星傳輸需要研究各種編碼方式和衛(wèi)星收發(fā)技術；端距離傳輸需要研究高帶寬線纜或者多個現有傳輸方式組合。8k顯示，需要研究8k的解碼芯片，該芯片設計難度在于海量的視頻輸出解碼，耗資源又功耗高，如何快速解碼和降低功耗是一個難題。8k顯示面板，如何進行批量生產，達到大眾消費水平，也是8k顯示面臨的一個技術難題。從目前看，日本在COMS器件、編解碼芯片和衛(wèi)星傳輸方面已經占領了先機。

2.1 日本顯示產業(yè)曾經的輝煌

上世紀90年代，日本在全球顯示技術市場可謂獨領風騷，憑借在液晶顯示領域的先發(fā)優(yōu)勢，日本獨攬90%左右的顯示面板市場，參與液晶面板制造銷售的企業(yè)數量也多達9家。松下、夏普、日立、先鋒等日本企業(yè)幾乎是世界面板的絕對控制者。當年，中國國產彩電品牌企業(yè)想要拿到日本面板廠商的優(yōu)質面板供應，何其艱難。甚至有日本面板企業(yè)拿次品的貨，賣良品的價，缺乏技術與供應話語權的中國彩電廠商則是被動接收啞巴吃黃連。素有“液晶之父”之稱的夏普、索尼等企業(yè)，代表著日本顯示的曾經的輝煌。然而盛極難繼，在爆發(fā)了日本歷史上最嚴重的經濟危機后，日本顯示面板產業(yè)被韓國后來居上，經此便一蹶不振，走上了一直持續(xù)到近期的衰退之路。從圖三可以看到，上世紀90年代，日本面板基本上獨霸天下，然后一路下滑，到2015年，已經在韓國、中國大陸和***之下了。

圖二全球面板市場占有率變遷

在顯示面板上的失去霸主地位后，日本在2012年成立了JDI，它是由由索尼、東芝、日立的小型液晶部門整合而成；在2015年1月，JOLED成立，它是在索尼、松下在OLED合作項目終止后，由相關人員組織成立。根據日經新聞的最新報道，JDI預計在2017年完成與JOLED的合并，合并后仍保持JDI的公司名稱。從日本這些公司的整合來看，它是不甘于目前的現狀的；8k顯示，是日本顯示行業(yè)從新崛起的一個契機。除了在面板方面的布局外，日本企業(yè)目前在深入的領域進行技術創(chuàng)新，特別是在電子技術的底層創(chuàng)新——半導體材料領域。半導體器件一直被世界各個國家和地區(qū)視為推動經濟增長以及保障國家和地區(qū)安全的重要命脈，而確保有安全可用的半導體器件也一直是各國（地區(qū)）工作的重點。面對半導體先進制造能力不斷向亞洲聚攏的趨勢，以及物聯網時代出現的新需求，美、歐、日均提出重建半導體先進制造能力，以滿足自身需求和保持戰(zhàn)略獨立。日本半導體在部分細分領域具備強大的市場競爭力，如索尼的高端金屬互補氧化物半導體圖像處理器等。結合8k顯示技術，日本半導體產業(yè)在前端COMS器件、中間編解碼芯片和全球衛(wèi)星傳輸方面均筑起了一道技術壁壘，旨在顯示領域利用8k技術，再造上世紀90年代的輝煌。

2.2 CIS (CMOS Image Sensor，CMOS圖像傳感器)

CMOS圖像傳感器是一個重要的視頻采集器件，它將采集圖像的光信號轉化為電信號。 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）即互補性金屬氧化物半導體，可用來感受光線變化的半導體。CMOS主要是利用硅和鍺這兩種元素所作成的半導體，通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現基本的功能的。這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。

日本企業(yè)很早就看到了COMS圖像傳感器這個商機，索尼，東芝、佳能很早就進入了該領域。2007年索尼發(fā)布了首款Exmor傳感器，相對以往的傳感器CIS，Exmor最大變化是內置了ADC模數轉換器，輸出不是模擬信號，其實改變就是集成度提高。外置ADC傳輸數據時，需要設計降噪電路，信號匯聚后再通過外部總線傳輸到單個或數個ADC之中。而Exmor每列像素擁有獨立的ADC，在芯片上即可完成模數轉換，最后通過數字總線傳輸出去。由于Exmor的ADC數量非常龐大，每個ADC能在低頻率下運行，僅達到kHz級別，遠遠低于外置ADC的MHz級別，有效減少了噪聲和提升速率，同時，Exmor輸出的是數字信號，抗干擾性更好，易于長距離布線。該款產品獲得了很大的市場成功。從此，SONY走上了飛速發(fā)展的十年。

根據調查統(tǒng)計，CMOS感光元件市場在2015年總市值達到67億美元，而單單索尼就控制著其中35%的市場份額（36億美元）。而其余的競爭者都無法撼動索尼的地位，不管是三星（19%）、OmniVision、On Semiconductor、佳能、東芝還是松下。據外媒報道，在未來5年里，CMOS感光元件產業(yè)的價值將達到190億美元。而就目前而言，索尼依然是CMOS感光元件市場的絕對領導者。

要拍攝8K視頻，一般需要約3300萬像素（7680×4320像素）的攝像元件。為了使紅（R）、藍（B）、綠（G）各色均可獲得3300萬像素的信息，迄今都使用為每種顏色各配備一枚，共計３枚3300萬像素的攝像元件。但同時還必須使用將光分成3色的棱鏡。

2014年，NHK面向“8K×4K”視頻的拍攝，開發(fā)出了高達1.33億像素的CMOS圖像傳感器。此次開發(fā)的CMOS圖像傳感器的像素數是原來的4倍，有1.33億像素，彩色濾鏡采用拜耳排列（RBGG）。因此，利用一個攝像元件，G信號可獲得約6600萬像素的信息，R/B信號可獲得約3300萬像素的信息。由此，雖為單板彩色攝像方式，但無需像素插值即可生成8K影像。直到2016年，為Leica M開發(fā)圖像傳感器的CMOSIS公司已經宣布其最新產品——具有全局快門的4800萬像素CMOS傳感器?？梢?，在8k的COMS器件這塊，日本已經在領跑了。NHK這次推出的1.33億像素的COMS圖像器件，筆者估計其中背后肯定有索尼的推動，因為8k這個技術，日本已經把它提到了整個國家的戰(zhàn)略高度，必定會組織國內相關技術公司進行集中攻關。

2.3 8k編解碼芯片

8k的視頻無壓縮帶寬大概是1080p的16倍，一般1080p@60，色彩空間采用40，帶寬也達到1.6Gbps左右，那么8k的帶寬也達到25.6Gbps。如此高的帶寬，如果直接進行遠距離傳輸肯定不可行，必須進行壓縮，最終目標是可以通過現有的網絡系統(tǒng)進行遠程傳輸。因此，8k視頻的編解碼芯片是一個技術關鍵點。

目前日本的NHK聯合株式會社一起開發(fā)了采用MPEG—HHEVC(High EfficiencyVideoCoding)／H．265方式的8K超高清影像編碼裝置及解碼裝置。日本早已為了更下一代的8K 內容做足準備，不僅是8K 內容拍攝的COMS器件，而且也已經著手為8K 電視商用化投入硬體解碼的單晶片。2016年 日本Socionext 與日本NHK 共同合作所推出的SCH801A ，就是一款具備HEVC 解碼能力的8K / 60P 硬體解碼單晶片。8K 相當于3,300 萬畫素的動態(tài)影像，比起Full HD 高出16 倍，意味著需要龐大的運算能力，所以在這款單晶片出現前多半是透過多個高效能視頻處理器并行運算解決，不過隨著日本NHK 在2016 年啟動8K 廣播測試、 2018 年預計商用，也需要更簡化終端設備的晶片，故這款單晶片也成為首款可處理8K 影像的單晶片。

圖三 索喜8k解碼芯片SCH801A

SCH801A與日本超高清衛(wèi)星廣播HEVC編碼的標準ARIB STD-B32第一部分一致，能夠單芯片單通道解碼8K@60P。在之前展示的8k電視樣機中，日本企業(yè)還展出了另外一種8K芯片，它是利用4k的圖像，通過圖像算法擴展成8k的顯示圖像。該算法為通過4K寬帶傳輸4K及8K影像，對用超分辨率重構進行分辨率等級間預測的方式，建立了一種基于小波域超分辨率重構技術的實時預測處理。據筆者了解，目前全球有8k編解碼芯片產品廠家寥寥無幾，除日企外，僅僅只有一家廠家是美國的企業(yè)--安霸，安霸的產品主要用于無人接的8k編碼，8k解碼芯片尚未問市，推測是軟解碼?？梢?，在8k編解碼芯片的技術較量中，日本企業(yè)占盡了先機。

2.4 8k衛(wèi)星傳輸

為了實現8K超高清標準(SHV)播送，日本也開展了衛(wèi)星傳輸方式、多路復用技術以及衛(wèi)星播送系統(tǒng)的相關研究。日本采用了1.2GHz波段廣播衛(wèi)星傳輸超高清電視進行了研究。引入16APSK(AmpIitudePhaseShifcKeying)，采用滾降系數0．03、符號率33．756Mbaud，一個衛(wèi)星轉發(fā)器傳輸容量為100Mbps，這一傳輸參數作為AR舊的標準技術條件而獲得認可。16APSK的傳輸容量不高，同時存在傳輸8k視頻數據時候中續(xù)器的穩(wěn)定性問題。為了解決上述問題，NHK致力于改善格柵編碼調制的性能。將擴大構成符號的每一個比特的最短歐氏距離的集合分割法用于160AM，并提出了改善前向糾錯編碼性能的最優(yōu)化方法；同時，NHK就提高衛(wèi)星中繼器的穩(wěn)定性進行了研究，還開始研究較現行的行波管功率放大器擁有更好線性的、使用氮化鎵材料的固態(tài)功率放大器。不僅如此，日本還利用已知的衛(wèi)星轉發(fā)器濾波器和功率放大器的非線性特性，開展衛(wèi)星轉發(fā)器的非線性特性預矯正的均衡技術。

圖四 16APSK改善前后對比

通過這些技術研究，針對8k視頻傳輸，日本搭建了一套新一代的衛(wèi)星廣播系統(tǒng)。外媒報道顯示，日本知名的廣播衛(wèi)星運營商B-SAT將會發(fā)射新的衛(wèi)星，以便對未來8K電視節(jié)目傳輸做準備。B-SAT公司的CEO Takashi Yabashi表示，使用衛(wèi)星傳輸8K超高清和4K超高清電視節(jié)目，提供節(jié)目入戶服務，是公司一直致力于提供的服務。目前初步計劃于在2017年年底發(fā)射新的衛(wèi)星B-Sat 4a，取代現有的B-Sat 3a衛(wèi)星。B-Sat 4a衛(wèi)星對傳輸大容量數據等方面進行了技術增強，以便可以更好的傳輸8K和4K電視節(jié)目，不會出現帶寬瓶頸。值得關注的是，在今年早些時候，B-SAT還發(fā)射了一顆B-Sat 3b衛(wèi)星，用于進行4K超高清電視節(jié)目的傳輸。

2016年日本公共廣播公司NHK宣布開放8K衛(wèi)星廣播服務，新“超高清”衛(wèi)星頻道為世界首創(chuàng)。NHK廣播。該“超高清”頻道將于2016年8月正式推出，每日播放時間為上午10點到下午5點，8K內容分辨率高達7680×4320像素，節(jié)目包括音樂會和過往2012的年奧運會錄像。2016年8月6日開幕的巴西奧運會實現了全球首次8K現場實況轉播，其播出圖像精細的分辨率和高色彩還原度深受大眾的推崇。日本NHK還表示，在2020年7月24日開幕的2020年東京奧運會以及殘奧會中，將會使用8K超高清技術來傳輸比賽視頻。

中國國內8k現狀與破局

優(yōu)勢

我國在各類電子終端產品產量方面均位于世界前列，面板市場需求量巨大。從全球整體供需角度看，受經濟危機影響，國際龍頭企業(yè)放緩了在本國的產能投資，我國內地成為全球生產線建設的重點，三星、LGD和友達光電均在中國大陸地區(qū)投資建設8.5代線。全球新型顯示產業(yè)布局向中國轉移的進程逐漸加快，我國新型顯示產業(yè)集中度也進一步提高，京津塘、長三角、珠三角以及成渝鄂等四大產業(yè)聚集區(qū)均已擁有高世代線?？梢哉f全球顯示產業(yè)的重心正在向中國轉移。8k的消費人群相關機構預測，中國將占到40%以上，這個是一個非常大的8k市場。

在8k顯示這塊，中國在8k液晶面板這塊也在不斷突破。我國京東方已經成為一匹“黑馬”。自從2013年京東方生產出采用ADSDS寬視角技術的98英寸8K顯示屏后，京東方在8K產業(yè)鏈上快速布局，不僅成為NHK的8K供貨商，三星110英寸8K超高清電視也采用的是京東方自主研發(fā)的8K超高清顯示屏。按照目前的速度，中國有望在2022年超越韓國，成為世界新晉面板業(yè)的老大，BOE將在2023~2027年成為事實上的全球8K面板業(yè)技術領導者。

在8k攝像頭器件領域，中國Gpixel長光辰芯光電也在發(fā)力，聯合了TowerJazz 廠商開發(fā)出一款具備了一億五千萬像素的成像性能的大尺寸CMOS感光元件，當然離商業(yè)應用還有一段距離。從整個產品布局角度來看，日本已經在8k這塊進行了全面布局，而我們目前只是在點上進行布局，差距非常之大。中國若想再8k方面持續(xù)發(fā)力，筆者建議從8k的編解碼芯片入手。從目前半導體市場看，中國的是全球增長最快的半導體市場，基本占到全球消耗量的一半。有利的市場環(huán)境培育了很多優(yōu)秀的IC設計企業(yè)，通過調控手段和市場導向引導，相信8k編解碼芯片很快能誕生。

劣勢

但是在8k方面，中國的起步較晚，目前只是在顯示面板方面看有點優(yōu)勢，其它方面基本沒有涉及基礎前沿研究。因此，知識產權籌備缺乏將成為國內自主8k產業(yè)發(fā)展的主要隱患。國際企業(yè)很可能以知識產權作為利器，遏制我國企業(yè)的快速發(fā)展。根據國家知識產權局發(fā)布的《液晶顯示產業(yè)專利分析報告》統(tǒng)計，液晶顯示全球專利申請前10位中，有韓國企業(yè)2家、日本企業(yè)7家、我國***地區(qū)企業(yè)1家，沒有我國大陸地區(qū)的企業(yè)。8K領域的競爭，可能會以知識產權或專利作為利器，遏制包括我國企業(yè)在內的競爭對手的發(fā)展。

中國目前國內裝備、零配件和材料領域的基礎十分薄弱，嚴重影響到目前8k面板的生產工藝設備；同時70%以上的零配件和材料依賴進口，關鍵材料和核心裝備也是以國外設備為主。2014年隨著我國新型顯示產業(yè)全球市場份額進一步增大，面板方面核心技術缺失對產業(yè)發(fā)展的制約將更加凸顯。國內配套產業(yè)起步晚，技術基礎弱，對進口依賴程度大，核心工藝設備被少數國外廠商壟斷，基板玻璃、液晶材料、偏光片、光學薄膜等上游關鍵材料配套方面受到的制約仍然較大。我國上游配套企業(yè)基本屬于中小企業(yè)，技術與資本沉淀不足，技術研發(fā)投入有限，在與實力雄厚的國際大廠競爭中劣勢明顯。如何解決核心技術受制于人、企業(yè)規(guī)模過小、缺少積累以及發(fā)展環(huán)境不甚合理等問題，是決定我國8k顯示產業(yè)下一步能否健康持續(xù)發(fā)展的關鍵所在。

破局

結合目前中國顯示領域的8k現狀，可以看到在前沿技術方面，國內還是出于非常落后階段。應對這一局面，筆者認為主要需要從下面三個方面進行發(fā)力，掌握8k技術和市場的控制權。一、牢牢抓住市場優(yōu)勢，大力發(fā)展8k液晶面板的相關制造核心工藝，從顯示終端方面控制市場。二、深入研究COMS器件，在8k信號源端能提供核心技術，設計出有中國特色的CMOS器件。三、在面板工藝、編解碼芯片端進行專利布局，從標準和知識產權角度進行圈地，遏制國外的競爭對手。