超高清電視核心芯片發展研究

劉麗婷，李　策

(中國信息通信研究院，北京 100084)

超高清電視核心芯片發展研究

劉麗婷，李策

(中國信息通信研究院，北京 100084)

摘要:超高清電視(UHDTV)經歷了近幾年的發展，已經成為消費者選購時的首選。但我國在UHDTV核心芯片方面積累薄弱，幾乎全部依賴進口，嚴重制約了產業的發展。隨著國內UHDTV芯片研發成功和實現量產，我國“缺芯”的局面已得到改善，但技術產業發展仍需要進一步提高。分析了目前我國UHDTV產業發展及核心芯片市場的相關情況，通過研究CPU、GPU、編解碼器和操作系統的發展態勢，預測了核心芯片技術發展趨勢，并為我國發展提出一些建議。

關鍵詞:超高清電視；CPU；GPU；芯片

電視經歷著從模擬到數字、從標清到高清及超高清(4K/8KUHDTV)、從功能機到智能機的發展，芯片是推動其發展的核心部件。長期以來，我國智能電視芯片幾乎全部依賴進口，嚴重制約了產業發展。通過實施“核高基”國家科技重大專項，國內芯片企業與骨干彩電企業開展合作，取得了UHDTV核心芯片國產化突破，我國應研究電視核心芯片發展方向，把握國內集成電路發展契機，促進國產UHDTV核心芯片發展。

1發展現狀

國際電信聯盟(ITU)于2012年發布了UHDTV的國際標準(ITUVRRecommendationBT.2020)，對分辨率、色彩空間、幀率、色彩編碼等進行了規范。標準定義了UHDTV1(3 840×2 160像素)和UHDTV2(7 680×4 320像素)兩個層級，通常標示為4K和8K[1]。標準中規定UHDTV采用逐行掃描方式，每秒幀數可以是24、30、50、60幀等9種幀格式。由于超清電視信號碼率遠大于高清電視，2013年ITU正式批準采用H.265編碼方式，全稱為高效視頻編碼(HighEfficiencyVideoCoding)，以改善編碼質量，解決延時和算法復雜度問題。

4K電視上市初期，一些企業為了迎合市場熱度偷工減料，雖然用了4K的液晶顯示屏，但是芯片依然采用2K分辨率或編解碼采用H.264標準。為規范國內市場，2014年我國出臺了《超高清顯示認證技術規范》。目前，創維、海信、夏普、索尼、飛利浦等傳統電視廠商以及樂視、小米等互聯網電視廠商已經針對UHDTV市場展開爭奪。UHDTV核心芯片市場同樣競爭激烈，我國UHDTV核心芯片主要受限于聯發科、晨星等企業。華為海思芯片在創維GLED電視中的應用，標志著本土彩電產業在核心技術上已打破了電視芯片受控于人的局面，將在以后的市場競爭中擁有更多的話語權。

2產業分析

進入2015年下半年，隨著大屏、智能、4K銷量的增加，扭轉了電視機制造業收入增勢維持低位和利潤負增長的態勢。據工業和信息化部統計，2015年1—11月全行業生產彩色電視機14 597.8萬臺，同比增長6.4%，其中液晶電視13 685.4萬臺，同比增長5.3%。隨著4KUHDTV上市后的快速普及，僅2015年二季度4K電視的出貨量比去年同期就增長了197%，達到620萬臺。4K電視毛利率高達30.4%，遠高于普通智能電視(21.6%)和普通功能電視(15.9%)[2]。根據機構統計，受上游面板廠商主推大尺寸4K面板影響， 2015年上半年4K的UHDTV的滲透率達到了24%，同比增長13%。目前55in(1in=2.54cm)4K的UHDTV的滲透率達53%，65寸滲透率達70%。2015年全球4K的UHDTV面板市場規模將增至4 000萬片，占全球面板市場的比例為15%，這將進一步刺激4K電視在2015年全年的銷售占比。

目前全球提供電視核心芯片的企業主要有聯發科、晨星、瑞昱、聯詠和高通等。聯發科已完成了對晨星的收購，市場份額高達70%，瑞昱及聯詠爭奪市場第三名的競爭異常激烈。晨星半導體股份公司從2008年開始成為電視芯片設計公司中的龍頭企業，全球占比一直保持第一。晨星擁有完整turnkey模式(即“交鑰匙工程”)，與各大傳統電視企業就保持著良好持久的合作關系。以小米、樂視等為代表的互聯網電視企業也都不約而同地選擇了晨星作為合作伙伴，樂視超3、小米電視3、小米電視2S等熱門高端機型均選擇了晨星芯片。

近年來，雖然我國電視芯片由從日本進口轉向從臺灣進口，但進口局面沒有改變，我國彩電產業的發展受到嚴重制約。聯發科和高通等芯片設計企業依托在智能手機領域取得的積累和技術優勢，積極布局電視核心芯片。聯發科推出全球首款搭載AndroidTV操作系統的智能電視SoCMT5595。我國通過實施“核髙基”國家科技重大專項支持下聯合開展攻關，成功共開發了具有我國自主知識產權、本土設計、本土制造、本土封裝的智能電視SoC芯片Hi3751，改變了我國電視行業“缺芯”的局面。Hi3751以優異的性能、超前的賣點幫助創維4K高端電視GLED8200系列電視迅速打開市場，在上市不到半年時間里創下了近30萬臺的銷量，拉高了創維的利潤空間。繼8200系列之后，創維在其后續的GLED產品中均采用了海思的Hi3751系列芯片。目前海思已研發Hi3798CV200芯片4K超高清系統芯片技術，基于四核64位ARMA53的CPU和多核Mali-T720GPU，支持OpenGLES3.1/2.0/1.1/1.0OpenVG1.1、EGL技術以及ImprexTM2.0圖像質量引擎，為運營商提供可以基于Android智能操作系統和HTML5技術開發多媒體應用的平臺。

3技術發展趨勢分析

進入2014年之后，新一代專為4K電視設計的芯片逐漸出現。三星、索尼、LG通過對4KUHDTV核心芯片自研進行技術提升，成為4K電視畫質方面的佼佼者，例如三星UHD銳芯圖像引擎、索尼4K迅銳圖像處理引擎Pro技術、LGTru-UltraHD圖像引擎。相比而言，國內電視廠商主要采用晨星、MTK的芯片，技術相對統一，芯片同質化嚴重。

目前，電視核心芯片主要采用SoC(片上系統)技術，將CPU、GPU、視頻編解碼模塊(Codec)、音視頻接口模塊、內存/閃存控制模塊、網絡接口模塊、USB模塊等集成在一塊芯片上，如圖1所示。

圖1　電視核心芯片架構圖

3.1CPU發展

多核CPU已經成為電視芯片發展的主流，64位逐漸成為發展趨勢。現階段主流電視核心芯片基本采用32位ARMv7-A指令集的ARM處理器，如晨星的MSD6A928和臺積電的MT5327(表1所示)。四核處理器已經成為電視芯片的標準配置，主頻均在1GHz以上。隨著ARM公司提供64位處理器，部分芯片廠商已經研發出64位電視核心芯片并已進入市場。聯發科2014年初便發布全球首款基于64位cortext-A72/A53處理器的四核核心芯片MT8173，華為海思的Hi3751芯片采用4核A53處理器已在創維的GLED芯片中應用，高通利用big.LITTLE技術推出集成4核A57和4核A53的八核處理器APQ8094已應用在樂視Max70高端電視中，充分發揮高性能和低功耗的優勢。隨著ARM處理器的內核架構升級，以及智能電視應用程序對處理能力需求的增加，未來將會有更多芯片廠商研發基于A73、A53等內核64位ARMv8指令集的電視核心芯片，如圖2所示。

表1部分UHDTV芯片比較

比較項目創維樂視小米松下長虹GLEDMax70超3小米電視3TH-55CTH-55AQ1N屏幕尺寸/in49/557043/40/5540/55/60555540/42/50/…芯片廠商華為高通晨星晨星晨星晨星MTK型號Hi3751APQ8094MSD6A928MSD6A928MSD6A918MSD6A928MT5327帶寬64643232323232工藝/nmNA202828NA28NACPUA53A57+A53A17A17A9A17A9CPU數量48(4+4)44442CPU主頻/GHzNA1.81.41.41.51.41.2GPUMali-450Adreno430Mali-T760Mali-760Mali-450Mali-760POWERVR543GPU數量6/8不詳44442主頻*/MHz650600650650NA650NA解碼H.265H.264H.265H.264H.265H.264H.265H.264H.265H.264H.265H.264H.264

注：*頻率以ARM公司公布的官方頻率

圖2　ARM公司CPU和GPU路線圖

3.2GPU發展

GPU主要負責圖形渲染的工作，決定了電視顯示的效果和性能。目前電視核心芯片中主要包括4種GPU類型，分別是ARM的Mali系列、高通的Adreno系列、PowerVRSGX系列、VivanteGX系列等。ARM公司為MaliGPU制定了高性能和低成本兩條不同的路線，如圖2所示。目前Mali450系列GPU已成為UHD電視的標配，為了提高性能，部分廠商改用Mali-T760GPU。例如，晨星公司的MSD6A918芯片中集成了Mali450四核GPU，而在下一代芯片MSD6A928中采用Mali-T760芯片。在ARM低成本GPU路線中，作為Mali450的后續版本，Mali-T720支持OpenGLES3.1/2.0/1.1/1.0OpenVG1.1、EGL技術以及ImprexTM2.0圖像質量引擎，針對不同市場定位，仍會有芯片企業選擇集成低成本的Mali-T720GPU。

部分廠商選用PowerVRSGX系列的GPU，例如MT5327中集成了雙核SGX543GPU。這類GPU未來將向著第五代XT系列(SGX544/554)和第六代(G6x00/G6x30)等4核GPU趨勢演進，以支持OpenGLES3.0/2.0、DirectX9/10/11等標準。

3.3Codec發展

目前主流電視芯片均集成了視頻編解碼器。4K的UHDTV要求支持H.265解碼，相比H.264標準有了相當大的改善，可在有限帶寬下傳輸更高質量的網絡視頻。多家公司均以推出IP模塊實現H.265獨立編解碼。ARM公司已推出Mali-V550視頻解碼器，支持H.265，MP4，VP8，VC-1，H.263 格式；高通采用HexagonDSP技術實現片上編解碼。編碼器設計體現了芯片設計企業對視頻編解碼設計的能力，擁有核心技術的企業多數選擇自研，缺乏積累的企業只能通過購買IP的方式集成Codec。

3.4OS發展

基于智能手機打造的“ARM+Android”的生態環境促使絕大多數ARM架構的電視核心芯片企業采用或定制Android操作系統。例如小米基于Android4.3 深度定制的“MIUI”TV智能電視系統，創維的酷開系統，海信“SMARTTV”操作系統等等，索尼等廠家已經使用最新安卓5.0操作系統。開放的開發平臺允許更多的電視生產廠商和第三方應用開發者加入Android產品的開發聯盟[3]。

由于部分電視生產企業對操作系統理解不深，對操作系統的開發可能會給我國廣播電視網發展帶來了安全隱患。2015年12月，國家新聞出版廣電總局組織60 多家單位聯合研發并正式了發布智能電視操作系統TVOS2.0軟件。TVOS2.0是在TVOS1.0與華為MediaOS及阿里巴巴YunOS融合的基礎上，打造的新一代智能電視操作系統，通過國家出臺相關政策，國產操作系統有望在電視操作系統中取得一定份額。

4小結

從全球UHDTV電視產業的競爭態勢來看，“ARM+Android”的商業模式日趨成熟，形成了核心芯片、操作系統和應用程序等組成的生態系統。我國雖然在核心芯片領域起步較慢，但通過“核高基”重大專項的戰略部署，結合ARM的IP授權，已經實現了產業突破。我國應在以下幾方面提前布局，推動核心芯片發展：一是國家層面謀篇布局，促使政策、資源形成合力。利用集成電路研發專項、重大專項引導共性技術研發，利用集成電路“大基金”支持電視芯片的產業化發展，調動國內芯片企業的研發積極性，建立價格比較優勢。二是以生態建設為重點，推動產業鏈各環節聯合攻關。建立由電視企業引領，芯片企業、軟件企業參與的交流溝通平臺或產業聯盟，推動電視芯片與智能家居的產品研發與系統集成創新。三是做好應用商店和內容服務、搭建完善的生態系統，提高國內智能電視及芯片產業的競爭核心。

UHDTV的快速發展將使電視應用更加多樣，對核心芯片性能需求不斷提高，國內芯片企業應加強核心技術突破，提高設計水平：一是注重高性能CPU和GPU的研發，提前布局應對智能電視、智能家居帶來的新需求；二是加強對H.265編解碼標準的研究，通過自研Codec編解碼技術，不斷提升芯片性能，避免陷入同質化的低價惡性競爭。

參考文獻：

[1]劉晨鳴，李小蘭.超高清電視技術發展與應用現狀研究[J].廣播電視信息，2013(8)：28-32.

[2]連曉東，丹璐.從輸血到造血推進智能電視芯片國產化[J].集成電路應用，2015(9)：14-15.

[3]李爽，曾慶軍.主流智能電視設備操作系統發展狀況解析[J].廣播與電視技術，2015， 42(5)：45- 50.

ResearchonthedevelopmentofultrahighdefinitionTVcorechip

LIULiting，LICe

(China Academy of Information and Communications Technology，Beijing 100084，China)

Abstract:Ultra High Definition Television (UHDTV) has experienced in recent years of development， it has become the first choice of consumers when purchasing. Because the weakness of core chips in UHDTV， China almost entirely dependents on imports. It has seriously hampered the development of the industry. With the domestic UHDTV chip successfully developed and mass production， the situation starts to change. The current mainstream UHDTV chip technology status is analyzed and the development trend of the CPU， GPU and OS is studied， and some suggestions to develop UHDTV chip is put forward.

Key words:UHDTV； CPU； GPU； chip

中圖分類號:TN492

文獻標志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.007

作者簡介：

劉麗婷(1980— )，女，中級經濟師，主研信息通信領域產業分析、項目(包括重大專項項目等科研經費)申報、支出、審計，項目全程管控等；

李策(1982— )，博士，高級工程師，主研集成電路SoC設計技術、FPGA硬件低功耗設計、軟件布局算法以及ICT的集成電路產業發展等。

責任編輯：閆雯雯

收稿日期：2016-01-03

文獻引用格式：劉麗婷，李策. 超高清電視核心芯片發展研究[J].電視技術，2016，40(3)：30-33.LIULT，LIC.ResearchonthedevelopmentofultrahighdefinitionTVcorechip[J].Videoengineering，2016，40(3)：30-33.