超高清电视核心芯片发展研究

刘丽婷，李　策

(中国信息通信研究院，北京 100084)

超高清电视核心芯片发展研究

刘丽婷，李策

(中国信息通信研究院，北京 100084)

摘要:超高清电视(UHDTV)经历了近几年的发展，已经成为消费者选购时的首选。但我国在UHDTV核心芯片方面积累薄弱，几乎全部依赖进口，严重制约了产业的发展。随着国内UHDTV芯片研发成功和实现量产，我国“缺芯”的局面已得到改善，但技术产业发展仍需要进一步提高。分析了目前我国UHDTV产业发展及核心芯片市场的相关情况，通过研究CPU、GPU、编解码器和操作系统的发展态势，预测了核心芯片技术发展趋势，并为我国发展提出一些建议。

关键词:超高清电视；CPU；GPU；芯片

电视经历着从模拟到数字、从标清到高清及超高清(4K/8KUHDTV)、从功能机到智能机的发展，芯片是推动其发展的核心部件。长期以来，我国智能电视芯片几乎全部依赖进口，严重制约了产业发展。通过实施“核高基”国家科技重大专项，国内芯片企业与骨干彩电企业开展合作，取得了UHDTV核心芯片国产化突破，我国应研究电视核心芯片发展方向，把握国内集成电路发展契机，促进国产UHDTV核心芯片发展。

1发展现状

国际电信联盟(ITU)于2012年发布了UHDTV的国际标准(ITUVRRecommendationBT.2020)，对分辨率、色彩空间、帧率、色彩编码等进行了规范。标准定义了UHDTV1(3 840×2 160像素)和UHDTV2(7 680×4 320像素)两个层级，通常标示为4K和8K[1]。标准中规定UHDTV采用逐行扫描方式，每秒帧数可以是24、30、50、60帧等9种帧格式。由于超清电视信号码率远大于高清电视，2013年ITU正式批准采用H.265编码方式，全称为高效视频编码(HighEfficiencyVideoCoding)，以改善编码质量，解决延时和算法复杂度问题。

4K电视上市初期，一些企业为了迎合市场热度偷工减料，虽然用了4K的液晶显示屏，但是芯片依然采用2K分辨率或编解码采用H.264标准。为规范国内市场，2014年我国出台了《超高清显示认证技术规范》。目前，创维、海信、夏普、索尼、飞利浦等传统电视厂商以及乐视、小米等互联网电视厂商已经针对UHDTV市场展开争夺。UHDTV核心芯片市场同样竞争激烈，我国UHDTV核心芯片主要受限于联发科、晨星等企业。华为海思芯片在创维GLED电视中的应用，标志着本土彩电产业在核心技术上已打破了电视芯片受控于人的局面，将在以后的市场竞争中拥有更多的话语权。

2产业分析

进入2015年下半年，随着大屏、智能、4K销量的增加，扭转了电视机制造业收入增势维持低位和利润负增长的态势。据工业和信息化部统计，2015年1—11月全行业生产彩色电视机14 597.8万台，同比增长6.4%，其中液晶电视13 685.4万台，同比增长5.3%。随着4KUHDTV上市后的快速普及，仅2015年二季度4K电视的出货量比去年同期就增长了197%，达到620万台。4K电视毛利率高达30.4%，远高于普通智能电视(21.6%)和普通功能电视(15.9%)[2]。根据机构统计，受上游面板厂商主推大尺寸4K面板影响， 2015年上半年4K的UHDTV的渗透率达到了24%，同比增长13%。目前55in(1in=2.54cm)4K的UHDTV的渗透率达53%，65寸渗透率达70%。2015年全球4K的UHDTV面板市场规模将增至4 000万片，占全球面板市场的比例为15%，这将进一步刺激4K电视在2015年全年的销售占比。

目前全球提供电视核心芯片的企业主要有联发科、晨星、瑞昱、联咏和高通等。联发科已完成了对晨星的收购，市场份额高达70%，瑞昱及联咏争夺市场第三名的竞争异常激烈。晨星半导体股份公司从2008年开始成为电视芯片设计公司中的龙头企业，全球占比一直保持第一。晨星拥有完整turnkey模式(即“交钥匙工程”)，与各大传统电视企业就保持着良好持久的合作关系。以小米、乐视等为代表的互联网电视企业也都不约而同地选择了晨星作为合作伙伴，乐视超3、小米电视3、小米电视2S等热门高端机型均选择了晨星芯片。

近年来，虽然我国电视芯片由从日本进口转向从台湾进口，但进口局面没有改变，我国彩电产业的发展受到严重制约。联发科和高通等芯片设计企业依托在智能手机领域取得的积累和技术优势，积极布局电视核心芯片。联发科推出全球首款搭载AndroidTV操作系统的智能电视SoCMT5595。我国通过实施“核髙基”国家科技重大专项支持下联合开展攻关，成功共开发了具有我国自主知识产权、本土设计、本土制造、本土封装的智能电视SoC芯片Hi3751，改变了我国电视行业“缺芯”的局面。Hi3751以优异的性能、超前的卖点帮助创维4K高端电视GLED8200系列电视迅速打开市场，在上市不到半年时间里创下了近30万台的销量，拉高了创维的利润空间。继8200系列之后，创维在其后续的GLED产品中均采用了海思的Hi3751系列芯片。目前海思已研发Hi3798CV200芯片4K超高清系统芯片技术，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技术以及ImprexTM2.0图像质量引擎，为运营商提供可以基于Android智能操作系统和HTML5技术开发多媒体应用的平台。

3技术发展趋势分析

进入2014年之后，新一代专为4K电视设计的芯片逐渐出现。三星、索尼、LG通过对4KUHDTV核心芯片自研进行技术提升，成为4K电视画质方面的佼佼者，例如三星UHD锐芯图像引擎、索尼4K迅锐图像处理引擎Pro技术、LGTru-UltraHD图像引擎。相比而言，国内电视厂商主要采用晨星、MTK的芯片，技术相对统一，芯片同质化严重。

目前，电视核心芯片主要采用SoC(片上系统)技术，将CPU、GPU、视频编解码模块(Codec)、音视频接口模块、内存/闪存控制模块、网络接口模块、USB模块等集成在一块芯片上，如图1所示。

图1　电视核心芯片架构图

3.1CPU发展

多核CPU已经成为电视芯片发展的主流，64位逐渐成为发展趋势。现阶段主流电视核心芯片基本采用32位ARMv7-A指令集的ARM处理器，如晨星的MSD6A928和台积电的MT5327(表1所示)。四核处理器已经成为电视芯片的标准配置，主频均在1GHz以上。随着ARM公司提供64位处理器，部分芯片厂商已经研发出64位电视核心芯片并已进入市场。联发科2014年初便发布全球首款基于64位cortext-A72/A53处理器的四核核心芯片MT8173，华为海思的Hi3751芯片采用4核A53处理器已在创维的GLED芯片中应用，高通利用big.LITTLE技术推出集成4核A57和4核A53的八核处理器APQ8094已应用在乐视Max70高端电视中，充分发挥高性能和低功耗的优势。随着ARM处理器的内核架构升级，以及智能电视应用程序对处理能力需求的增加，未来将会有更多芯片厂商研发基于A73、A53等内核64位ARMv8指令集的电视核心芯片，如图2所示。

表1部分UHDTV芯片比较

比较项目创维乐视小米松下长虹GLEDMax70超3小米电视3TH-55CTH-55AQ1N屏幕尺寸/in49/557043/40/5540/55/60555540/42/50/…芯片厂商华为高通晨星晨星晨星晨星MTK型号Hi3751APQ8094MSD6A928MSD6A928MSD6A918MSD6A928MT5327带宽64643232323232工艺/nmNA202828NA28NACPUA53A57+A53A17A17A9A17A9CPU数量48(4+4)44442CPU主频/GHzNA1.81.41.41.51.41.2GPUMali-450Adreno430Mali-T760Mali-760Mali-450Mali-760POWERVR543GPU数量6/8不详44442主频*/MHz650600650650NA650NA解码H.265H.264H.265H.264H.265H.264H.265H.264H.265H.264H.265H.264H.264

注：*频率以ARM公司公布的官方频率

图2　ARM公司CPU和GPU路线图

3.2GPU发展

GPU主要负责图形渲染的工作，决定了电视显示的效果和性能。目前电视核心芯片中主要包括4种GPU类型，分别是ARM的Mali系列、高通的Adreno系列、PowerVRSGX系列、VivanteGX系列等。ARM公司为MaliGPU制定了高性能和低成本两条不同的路线，如图2所示。目前Mali450系列GPU已成为UHD电视的标配，为了提高性能，部分厂商改用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路线中，作为Mali450的后续版本，Mali-T720支持OpenGLES3.1/2.0/1.1/1.0OpenVG1.1、EGL技术以及ImprexTM2.0图像质量引擎，针对不同市场定位，仍会有芯片企业选择集成低成本的Mali-T720GPU。

部分厂商选用PowerVRSGX系列的GPU，例如MT5327中集成了双核SGX543GPU。这类GPU未来将向着第五代XT系列(SGX544/554)和第六代(G6x00/G6x30)等4核GPU趋势演进，以支持OpenGLES3.0/2.0、DirectX9/10/11等标准。

3.3Codec发展

目前主流电视芯片均集成了视频编解码器。4K的UHDTV要求支持H.265解码，相比H.264标准有了相当大的改善，可在有限带宽下传输更高质量的网络视频。多家公司均以推出IP模块实现H.265独立编解码。ARM公司已推出Mali-V550视频解码器，支持H.265，MP4，VP8，VC-1，H.263 格式；高通采用HexagonDSP技术实现片上编解码。编码器设计体现了芯片设计企业对视频编解码设计的能力，拥有核心技术的企业多数选择自研，缺乏积累的企业只能通过购买IP的方式集成Codec。

3.4OS发展

基于智能手机打造的“ARM+Android”的生态环境促使绝大多数ARM架构的电视核心芯片企业采用或定制Android操作系统。例如小米基于Android4.3 深度定制的“MIUI”TV智能电视系统，创维的酷开系统，海信“SMARTTV”操作系统等等，索尼等厂家已经使用最新安卓5.0操作系统。开放的开发平台允许更多的电视生产厂商和第三方应用开发者加入Android产品的开发联盟[3]。

由于部分电视生产企业对操作系统理解不深，对操作系统的开发可能会给我国广播电视网发展带来了安全隐患。2015年12月，国家新闻出版广电总局组织60 多家单位联合研发并正式了发布智能电视操作系统TVOS2.0软件。TVOS2.0是在TVOS1.0与华为MediaOS及阿里巴巴YunOS融合的基础上，打造的新一代智能电视操作系统，通过国家出台相关政策，国产操作系统有望在电视操作系统中取得一定份额。

4小结

从全球UHDTV电视产业的竞争态势来看，“ARM+Android”的商业模式日趋成熟，形成了核心芯片、操作系统和应用程序等组成的生态系统。我国虽然在核心芯片领域起步较慢，但通过“核高基”重大专项的战略部署，结合ARM的IP授权，已经实现了产业突破。我国应在以下几方面提前布局，推动核心芯片发展：一是国家层面谋篇布局，促使政策、资源形成合力。利用集成电路研发专项、重大专项引导共性技术研发，利用集成电路“大基金”支持电视芯片的产业化发展，调动国内芯片企业的研发积极性，建立价格比较优势。二是以生态建设为重点，推动产业链各环节联合攻关。建立由电视企业引领，芯片企业、软件企业参与的交流沟通平台或产业联盟，推动电视芯片与智能家居的产品研发与系统集成创新。三是做好应用商店和内容服务、搭建完善的生态系统，提高国内智能电视及芯片产业的竞争核心。

UHDTV的快速发展将使电视应用更加多样，对核心芯片性能需求不断提高，国内芯片企业应加强核心技术突破，提高设计水平：一是注重高性能CPU和GPU的研发，提前布局应对智能电视、智能家居带来的新需求；二是加强对H.265编解码标准的研究，通过自研Codec编解码技术，不断提升芯片性能，避免陷入同质化的低价恶性竞争。

参考文献：

[1]刘晨鸣，李小兰.超高清电视技术发展与应用现状研究[J].广播电视信息，2013(8)：28-32.

[2]连晓东，丹璐.从输血到造血推进智能电视芯片国产化[J].集成电路应用，2015(9)：14-15.

[3]李爽，曾庆军.主流智能电视设备操作系统发展状况解析[J].广播与电视技术，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

中图分类号:TN492

文献标志码：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.007

作者简介：

刘丽婷(1980— )，女，中级经济师，主研信息通信领域产业分析、项目(包括重大专项项目等科研经费)申报、支出、审计，项目全程管控等；

李策(1982— )，博士，高级工程师，主研集成电路SoC设计技术、FPGA硬件低功耗设计、软件布局算法以及ICT的集成电路产业发展等。

责任编辑：闫雯雯

收稿日期：2016-01-03

文献引用格式：刘丽婷，李策. 超高清电视核心芯片发展研究[J].电视技术，2016，40(3)：30-33.LIULT，LIC.ResearchonthedevelopmentofultrahighdefinitionTVcorechip[J].Videoengineering，2016，40(3)：30-33.