新一代PC顯示器介面標準之爭─UDI迎戰DisplayPort
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2006-05-10 00:00
前言:
自從“數位家庭”概念成形以來,電腦與家電之間的界線就日益模糊,兩派之間的攻戰卻正如火如荼。以微軟和Intel為首的IT流派,為使電腦成為“家庭媒體中心”,分別推出Windows XP的媒體中心版和ViiVPC規範來進行圈地;而勠力開發家電領域的Silicon Image族群,則以HDMI快速進駐數位家庭。DisplayPort和UDI之爭,似乎也是這種競爭關係之下的產物
由於目前顯示介面的多種規格都有其技術上的限制,所以並沒有哪一個標準能取得壓倒性勝利,因而呈現分頭發展狀況,端視應用而定;像筆記型電腦、桌上型電腦以及電視等LCD面板的嵌入式應用,主要以LVDS(Low Voltage Differential Signaling,低壓差動信號)來作為驅動介面;電腦螢幕等周邊設備以VGA(Video Graphics Array,視頻圖像陣列)為大宗;在一些高階電腦中,亦不乏見到DVI(Digital Video Interface,數位視頻界面)的蹤跡。
電視的數位化則是另一大勢所趨,首先是高壓縮技術引導DVD的出現,一改早期攝錄像機或卡式錄放影機的類比交互掃瞄方式只能提供標準畫質內容的不足,使影像的視覺感受有所提高;而HDMI(High Definition Multimedia Interface,高解析多媒體介面)的問世,則又進一步提供了音頻傳輸和內容保護功能。
既然前有針對電腦用的VGA,後有針對電視用的HDMI,為什麼還需要新的介面標準?簡言之,一是為了提升消費者感官體驗,並降低設計的複雜度;二是為了徹除產業間的藩籬,促進異業融合以擴大商機。
現有顯示標準多元 卻各有難以跨越的技術瓶頸
針對類比CRT顯示器而制定的VGA標準,已有近20年的歷史,在高解析及色彩表現上已然差強人意,不再適合用於顯示高解析圖片的液晶顯示,也無法對媒體內容實施版權保護。而最早出現的數位傳輸介面──LVDS,受限於傳輸距離過短以及時鐘速率,需要很多的管腳才能支援較高的解析度和較佳的色彩度;且如此一來,所需頻寬也必須隨之增加。但就目前狀況來說,它的匯流排傳輸速率只能達到622Mbps,顯然不敷使用,致使除了方便背板佈線外,對整個系統而言,幾乎沒有優化作用。
緊接而起的DVI技術,其挑戰則是來自於本身技術的不完善,又缺乏相應的相容方案。DVI相應的繪圖晶片成本較高,缺乏足夠的支援,致使規格進展的推遲,多少束縛了向外延伸的可能性,造成在市場推廣上的困難。蘋果的LCD monitor是使用工業標準的DVI介面來接駁電腦的,但DVI介面的頻寬有限,在30英吋的Cinema Display,須耗費兩個DVI介面接駁。早在DVI介面到來之初,不少業內人士一度都認為DVI會迅速取代VGA介面,但從VGA介面現在仍然是顯卡的標準介面之一,而DVI介面的市場佔有率只有30%,遲遲未能實現這個預期的事實,就不難感受到DVI的發展滯礙。此外,由於DVI和VGA只訴求在周邊,迫使許多內接視頻只能採用LVDS,而這些從周邊入的信號又都必須經過LVDS的解碼,憑添了平板顯示電路的設計複雜度,都是為人詬病之處。
至於以電視和消費類電子等“box-to-box”連接為發展目標的HDMI,雖然已快速成為PC-based的數位電視理想連接介面,但依然無法滿足PC固有需求;且對提高內部效能卻又顯得力不從心。HDMI 1.2版(2005年8月23日)雖然有別於過去PC用DVI、CE用HDMI的區隔定位,轉而積極擁抱、支持PC,例如:HDMI的A型接頭支援PC端應用,並可完全支援PC用的視頻格式;在原有支援CE端的YCbCr四色規格外,添加支援PC端的RGB三色規格;為便利未來視頻應用的設計及製造,新版HDMI定義更低的信號位準電壓,以便與PCI-E的PC端I/O技術更容易耦合……卻仍不免有所缺憾。諸如此類難題,加上深次微米製程整合的挑戰,都是誘發新一代傳輸介面蠢蠢欲動的原因。
DisplayPort半路殺出 吹皺一池春水
2005年8月間以迅雷不及掩耳之姿,猛然現身的DisplayPort,便是著眼於上述種種;從PC產業的角度來看,可加速數位輸出保護的發展,以獲得更廣泛的觀看授權支援,並為跨越內外部連接提供一條可實現的路徑,不僅提高了整合度,也減少了數位顯示的成本;此外,也能以更少的線纜來支援新興的顯示需求,讓消費者在解析度、色彩鮮豔度和更新率獲得不錯的感官體驗。更重要的是,對生產廠家來說,其開放式的產業標準可讓他們在不受IP侷限下,增加擴展性。
圖1:DisplayPort的傳輸原理
“DisplayPort”是由Genesis Microchip、Dell、HP、Samsung、Philips、ATi、NVIDIA、Molex、和Tyco(泰科電子)為首所共同制定,同時將display外部(PC到顯示器/投影機/電視的音頻介面)和內部(在筆記型電腦或螢幕內部的LCD面板介面)連接納入考慮的產業標準,業已經過VESA(影像電子工程標準協會)組織批准,並於2005年8月15日正式發佈DisplayPort 1.0版。其吸引人的特點在於:
1.可選配音頻和內容保護功能;
2.小型用戶能以周邊方式解決連接問題,在一個PCI-E板卡上可容納4個外部連接器;
3.它克服了LVDS 1m的傳輸距離限制,可同時支援短距(3m)和長距(15m)的纜線傳輸。
DisplayPort採用點對點傳輸協定的“Micro-Packetized”系統,來支援音頻和CEA-861B資訊框架,其電氣介面與PCI Express(PCI-E)的物理層相似,能廣泛支持各種媒體鏈路而無需改變鏈路層。它採用了ANSI標準的8B/10B編碼方式和嵌入式時鐘技術,讓時鐘資訊能直接寫入資料流程中,不需額外線路,不僅能節省傳輸對線(Lane)數量、降低EMI,也能提高傳輸效率;且擁有成對的AC壓差介面,可支援1~4對的資料線傳輸,每對線的速率可固定在1.6 Gbps或2.7 Gbps。這個不支援類比傳輸的“純數位介面”,還具備一個可反向同時作用的備用通道,以命令並控制功能,速率可達1 Mbps。在週邊元件的支援上,Molex和Tyco已開始著手發展小體積且容易使用的內外部連接器。
圖2:DisplayPort的底層架構
在眾所矚目的“內容保護”(Content Protection,CP)議題方面,它是以數據封包為基礎,獨立於物理層之外;可在標準的儲存資源管理(SRM,Storage Resource Manager)系統中工作,並自動將“複製動作”默認為一種“惡意攻擊行為”。其和DVI/HDMI保護高解析數位內容的模式相似,在開機和相容性都有完善的規定:授權架構和一般視頻內容保護機制雷同,採用128位元的AES(Advanced Encryption. Standard)高速內容加密技術,以獨立編碼建立完整的授權和存取安全認證;而收費標準則比照高解析內容辦理。這將有利於推廣工作,已獲美國聯邦通信委員會(FCC)、多數內容提供者的支援和其他相關組織的認可,目前飛利浦正以選項(Option)方式積極發展內容保護系統。
根據Genesis Microchip公司企業營銷副總裁Robert Haefling的說法,HDMI在使用上有一個限制:它的音頻是單獨進行傳輸的,一旦使用要求較高,其效果就差強人意。DisplayPort也有一個內嵌高速編碼器的DSPORT以擔負內容版權保護的任務。DSPORT是一個微型結構,它可以傳輸一些資訊,可支援長達15m米傳輸,以4種不同的頻寬來進行連接。它並不是固定與一個物理的顯示層面上,有一個可供選擇的內容保護系統,理論上可以運用於所有的電腦,可將筆記型電腦的16根連接線減少至2根連線。
DisplayPort體積非常小且成本低,使進入門檻大為降低。目前必須在電視當中安裝不同的介面,從資料、信號到顯示都有不同的主板和晶片;使用了DisplayPort以後,就能用單一的連接進行圖像顯示,且其連接器要比DVI要小的多,但性能卻是DVI的2倍。他也表示,在TV方面的運用,未來也不排除用一個高頻寬的奈米級晶片來取代連接器,實現板到板(輸入板到視頻板)的連接。
DisplayPort發起成員之一Dell在公開技術白皮書中公開闡述,DisplayPort將被發展成為一種可擴展的產業標準,不僅用於外部設備與設備間的介面連接,還可成為設備內部的板間介面,甚至是晶片與晶片之間的資料介面,可“直接驅動”(direct drive)數位顯示。該份文件也指出,DisplayPort將從明確定義電路和協定規格以加速面板時鐘、圖像/媒體處理和顯示器控制開始,爭取被業界廣泛接受並採用,簡化內外部連接技術、極大化可應用範圍、確保數位化技術能減少相關連接設備成本,其欲取代多種既有標準──包括當紅的LVDS、DVI和HDMI在內──的意圖不言可喻。
UDI當仁不讓 憑添詭譎氛圍
無獨有偶,同樣野心勃勃的,還有縱橫半導體界數十年之久的巨人──Intel。繼DisplayPort正式提出後,以Intel為首的多家PC與消費電子主導廠商也隨後宣佈,他們正在研擬一種相容於高畫質電視信號的PC數位顯示介面標準──UDI(Unified Display Interface,統一顯示介面),它將取代逐漸過時的VGA類比標準,並相容於DVI和HDMI。
幾家志同道合的國際大廠已經成立了一個SIG特別小組(Special Interest Group),共同研擬UDI標準。核心成員除了Intel外,還包括:Apple、LG Electronics、美國國家半導體(NS)、三星電子(Samsung)和Silicon Image;而贊助廠商則包括了:繪圖晶片製造商Nvidia、半導體製造商THine電子、電纜與連接器製造商FCI、Foxconn(富士康科技集團,鴻海精密工業)與JAE電子。UDI在2005年12月已完成起草階段的0.8版,預計在2006年第二季時可以完成1.0正式版。
圖3:UDI的典型連接以及與HDMI的互操作性關係
對於中下游系統或整機廠商來說,莫不希望所採用的技術能擁有合理的性價比、轉移風險要低,且擁有背景堅強的行業組織來統籌。緊咬著這個需求缺口,Intel趁勢推出替代方案──UDI。與DisplayPort的雄心壯志略有不同,或許是深黯產業生態的利益均霑法則,Intel延續先前WiMAX“和平共存”的基調,祭出“把CE留給HDMI,把PC留給自己”的各有所適、分向發展對策:HDMI依舊主宰著消費類的市場,而UDI則鎖定電腦系統而來,主張“UDI是為PC最佳化後的HDMI最佳後繼者”。
UDI介面標準將可以使用目前廣泛使用在HDMI相容產品的高頻寬數位內容保護技術(HDCP)規格,因此,具備UDI接頭的平臺將可以接取顯示器與具備HDMI顯示功能的設備,包括了搭載完整功能的數位內容使用管理及與高解析度視頻相容的能力,因此也獲得華納和微軟等數位內容相關業者所支持。UDI的通用軟體層具有介面和顯示功能的自我恢復、初始化和控制,以及新的事件池(event sink)通知功能,使用I2C匯流排控制傳輸對線,擁有分別對應到R、G、B三原色的3對周邊資料線和1對時鐘纜線(頻率僅供參考用)。
在嵌入式應用上,可接1或3條管線,同樣對應到RGB三色;值得留意的是,它還擁有一種名為“Display Enable”(DE)的單一訊框(Framing),可依需要決定是否要以主動方式呈現影像或關閉影像;可以空白方式啟始影像,也能以預先設置好的指標啟始。在通用物理層方面,它擁有作為備份之用的邏輯子層,可使從協定到規格的編解碼流程順利實現;另具有電氣子層,整合可將PCI-E I/O介面最佳化的緩存技術,連接器規格也不再停留在管腳佈線,且發送端的中心眼能對目標位元組的屬性進行辨別。
圖4:UDI預計的規格發展時程
此外,為增補過去HDMI所缺,UDI的接頭將會朝更小型化、成本更低廉的方向來發展,以期能有製造上的成本優勢與設計時的彈性便利,在接線固定的方式也有所改進。UDI的出現,將取代現有陳舊的VGA標準,以及廣泛用於筆記型電腦的低解析度電視信號S-Video介面,並向下相容DVI標準。秉持開放態度的UDI,可以很容易且快速地被採用;支持者對於此標準能易於被業界接受充滿信心,他們認為UDI將可在電視和PC的整合過程中扮演橋樑,通過單一連接器連接到具有高解析效果的PC。
結語
從技術本質來看,DisplayPort的微封包架構(Micro-Packet Architecture),在傳輸與應用的擴展較容易,日後可發揮更多種潛在的視頻應用;而UDI可視為DVI、HDMI的擴充延伸,,是將DVI、HDMI的核心技術──TMDS(Transition Minimized Differential Signaling)──進行再規劃、設計與重新詮釋而成;因此日後依然有機會在相同對線數上與DisplayPort較勁傳輸,或以B類HDMI與DisplayPort較量整體性傳輸(DVI收發器的原訂規格標準為1.65Gbps,現已可達2.25Gbps)。
另一個值得留意的技術指標是“音頻”。DisplayPort在管理性傳輸上另闢“輔助性通道”,且以此支援雙向式音效傳輸,可用於互動、對話性應用(HDMI僅提供與視頻傳輸同向的8聲道單向式無壓縮數位音頻傳輸);而HDMI繼陸續支援一般音效CD所常見的Stereo雙聲道編碼,以及DVD-Audio的音效格式與編碼後,輸人不輸陣,HDMI 1.2版除了擁抱PC外,也進行其他方面的提升,例如追加支援1-Bit的音效格式,即是SuperAudio CD(簡稱:SACD)的Direct Stream Digital(簡稱:DSD)編碼傳輸技術。
除技術面外,授權花費也將是個重要考慮;單就HDMI和DisplayPort比較,力推開放標準的DisplayPort似乎誘因較大。不過HDMI亦有不可小覷的先佔優勢:全球已有超過250家業者授權使用HDMI技術,並有超過470種已出貨的視頻應用產品支援HDMI。UDI由於細節未定,尚無法評論;但如果它也採開放態度來推展市場,加上與HDMI的同氣連枝,未來著實“後生可畏”。
圖5:Intel於2006春季IDF中所發佈的UDI測試點示意圖(上圖為外部連接,下圖為嵌入式系統內部連接)
自從“數位家庭”概念成形以來,電腦與家電之間的界線就日益模糊,兩派之間的攻戰卻正如火如荼。以微軟和Intel為首的IT流派,為使電腦成為“家庭媒體中心”,分別推出Windows XP的媒體中心版和ViiVPC規範來進行圈地;而勠力開發家電領域的Silicon Image族群,則以HDMI快速進駐數位家庭。DisplayPort和UDI之爭,似乎也是這種競爭關係之下的產物。耐人尋味的是,nVidia和三星同為UDI和DisplayPort的支持者;而原本常有意無意處於敵對狀態的Intel和nVidia,這回竟站在同一陣線上,同聲支持UDI,反倒是自2000年後與Intel關係密切的盟友ATi,目前僅表態支持DisplayPort。商場局勢變幻莫測,DisplayPort與UDI之爭,這場鬥智鬥“利”、比拼規格配套智力,也比拼商業操作利益的角力賽,最後究竟誰會勝出?勝負恐怕還在未定之天。