逆襲有望 縱觀國產(chǎn)視頻芯片進(jìn)化史

　　視頻圖像與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，是人類獲取和交換信息的主要來源，據(jù)統(tǒng)計人類有80%以上的信息來自于視頻圖象。在人類歷史發(fā)展過程中，視覺感知在學(xué)習(xí)、生產(chǎn)和各種知識傳承中占據(jù)了主要作用。視頻技術(shù)也在不斷地發(fā)展，從576i到現(xiàn)在的4k，以及未來的8k，分辨率擴大了幾十倍，不斷地滿足了人們對視頻高清的需求。高清晰度的視頻在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，3D技術(shù)也日趨成熟，需要對海量視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜處理的應(yīng)用越來越多，這個趨勢也倒逼視頻處理芯片行業(yè)不斷前行?？v觀中國這10年視頻處理行業(yè)的發(fā)展，可以說是一個縮小版的半導(dǎo)體IC發(fā)展史。

　　完整的視頻處理流程包含了視頻采集、視頻處理、視頻傳輸和視頻顯示4大部分，每一個環(huán)節(jié)都是緊緊相扣，如何一個環(huán)節(jié)拖后腿，都是會導(dǎo)致整個視頻生態(tài)圈的問題。但是，在這4個環(huán)節(jié)中，重中之重是視頻處理。視頻處理IC的優(yōu)劣直接決定了圖像的效果。視頻處理包含了視頻編解碼、視頻圖像去隔行、視頻格式轉(zhuǎn)換等。

　　視頻編解碼芯片，原是國外廠商的天下

　　視頻編解碼，目前在網(wǎng)絡(luò)上傳輸比較流行的是H.264與H.265。H.264/MPEG-4 AVC(H.264)是1995年自MPEG-2視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的聯(lián)合開發(fā)組共同開發(fā)的最新國際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。通過該標(biāo)準(zhǔn)，在同等圖象質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標(biāo)準(zhǔn)提高了2倍以上，因此，近幾年來H.264被普遍認(rèn)為是最有影響力的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖一 H.264編解碼流程

　　H.264標(biāo)準(zhǔn)的使用了幾個關(guān)鍵技術(shù)，分別是幀內(nèi)預(yù)測編碼、幀間預(yù)測編碼、整數(shù)變換、量化和熵編碼。幀內(nèi)編碼用來縮減圖像的空間冗余。幀間預(yù)測編碼利用連續(xù)幀中的時間冗余來進(jìn)行運動估計和補償，預(yù)測采用了基于4×4像素塊的類似于DCT的整數(shù)變換。量化，H.264中可選32種不同的量化步長，這與H.263中有31個量化步長很相似，但是在H.264中，步長是以12.5%的復(fù)合率遞進(jìn)的，而不是一個固定常數(shù)。H.264視頻編碼處理的最后就是熵編碼，在H.264中采用了兩種不同的熵編碼方法：通用可變長編碼(UVLC)和基于文本的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)。H.264的編碼和解碼流程具體見圖一。

　　由于H.264具備高壓縮性，同時適合在網(wǎng)絡(luò)里邊進(jìn)出傳輸，隨著互聯(lián)網(wǎng)地不斷發(fā)展，各個半導(dǎo)體廠家也看到了這個金礦。2005年起，美國的TI、安霸、NXP、臺灣的TEWELL、日本的SONY、SHARP等一大批國家半導(dǎo)體企業(yè)或者電子企業(yè)將目光投入到了H.264編碼芯片上，量身打造適合不同區(qū)域的視頻編解碼芯片，大力推動了整個市場的發(fā)展。

　　可以說，在2010年之前，國內(nèi)的自研芯片基本處于樣機或者自用階段，市場的接受度非常的低。據(jù)粗略數(shù)據(jù)統(tǒng)計，見下圖二，國產(chǎn)芯片的占比只有1%左右，國外芯片占比95%以上，TI半導(dǎo)體巨頭占領(lǐng)了中國幾乎一半市場。其原因在于國外廠家有豐富的經(jīng)驗積累，深耕在這個領(lǐng)域多年，熟悉產(chǎn)業(yè)的特點，國產(chǎn)芯片的穩(wěn)定性也有待提高。當(dāng)時，應(yīng)用視頻行業(yè)的廠家，對于芯片的選型基本只考慮國外芯片，選擇國內(nèi)芯片的鳳毛麟角。

　　圖二 2006年編解碼芯片國內(nèi)出貨占比

　　國產(chǎn)廠商的橫空出世，華為海思表現(xiàn)搶眼

　　中星微電子從2006年開始啟動IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計，并在網(wǎng)絡(luò)攝像機專用芯片、解碼終端以及在視頻監(jiān)控平臺方面持續(xù)投入，取得了耀眼的成果。2014年，中星發(fā)布新產(chǎn)品718和736芯片：其中718是第二代SVAC/H.264核心芯片，736是一款大眾級DVR核心芯片。芯片支持支持自動曝光、自動白平衡、自動增益等圖像處理功能;視頻編碼支持SVAC和H.264標(biāo)準(zhǔn)，為安防監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)更加可靠和靈活的應(yīng)用。截止到2017年，中星微電以及在美國納斯達(dá)克上市，并從芯片設(shè)計業(yè)務(wù)擴展到視頻監(jiān)控整機設(shè)備廠家，逐步在國際市場發(fā)揮重大作用。

　　真正對國外競爭對手起到威懾作用的是華為海思。海思依托中國這10年安防市場的蓬勃發(fā)展，聯(lián)手?？荡笕A對國外半導(dǎo)體巨頭進(jìn)行狙擊。

　　在進(jìn)行H.264產(chǎn)品芯片的布局前提下，華為海思在視頻編解碼市場戰(zhàn)穩(wěn)了陣腳。同時，華為還力推H.265，是H.265的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)貢獻(xiàn)者。隨著安防監(jiān)控不斷的向高分辨率、高壓縮率、低寬帶占用方向發(fā)展，相對于H.264編碼，H.265視頻編碼壓縮技術(shù)在保證相同畫質(zhì)的情況下，對帶寬的需求減少了50%左右，存儲空間也相應(yīng)減少一半，解決了高清化、網(wǎng)絡(luò)化趨勢下視頻在帶寬、存儲和畫質(zhì)方面的難題?；贖.265技術(shù)的視頻應(yīng)用正逐步普及。下圖為H.265與H.264碼率對比表。H.265不僅可以降低1080p等當(dāng)下主流高清格式的碼率(1080p僅需1~2Mbps碼率)，同時也適用于4K和8K等超高清視頻，H.265標(biāo)準(zhǔn)讓網(wǎng)絡(luò)視頻跟上了顯示屏“高分辨率化”的腳步。

　　圖三 H.265與H.264碼率對比表

　　華為海思的視頻編解碼芯片系統(tǒng)非常全面，從65nm的3518A到目前最新的28nm的3519，芯片產(chǎn)品囊括了消費市場、商業(yè)市場和行業(yè)市場;分辨率從D1到最新的4k，幀率高達(dá)60fps。這些全面的布局和高可靠性，深得視頻應(yīng)用廠家的愛好，把TI的DM8168甩出了好幾條街。目前，華為海思與美國安霸、日本的索喜在該領(lǐng)域形成了三國鼎立局面，TI從DM8168后無新編解碼芯片推出。

　　據(jù)粗略數(shù)據(jù)統(tǒng)計，見下圖四，中國市場國產(chǎn)芯片(主要是華為海思)的提升到60%左右，是十年前的60倍，而國外芯片占比降低到35%左右，海思占領(lǐng)了國內(nèi)一半以上市場。索喜雖然是一家剛剛成立公司，單其背景是索尼和富士通，2016年開始進(jìn)入中國市場，在8k方面已經(jīng)確立其技術(shù)領(lǐng)先地位。

　　圖四 2006年編解碼芯片國內(nèi)出貨占比

　　隨著國產(chǎn)芯片廠家參與到視頻編解碼芯片設(shè)計大軍中，推動了行業(yè)芯片價格降低。筆者按照歷史采購數(shù)據(jù)，同時以單通道編解碼價格來折算，按照1為某個單位價格折算(具體價格數(shù)據(jù)各個廠家均不便直接給出)，繪制出各個芯片廠家的價格對比和趨勢圖，見圖五。從圖中我們可以看到，芯片價格一直在降低，同時，國內(nèi)廠家海思因為其成本控制原因，價格有很大優(yōu)勢，從而倒逼國家巨頭不得不下調(diào)出貨價。受益以芯片廠家的價格競爭，芯片編解碼應(yīng)用廠家如?？?、大華等迅速發(fā)展。作為安防業(yè)的雙寡頭，大華股份與?？低晳{借行業(yè)的東風(fēng)，兩家公司的成長速度異常強勁，在國際市場上已經(jīng)和應(yīng)用廠家進(jìn)行廝殺。 2015年兩家公司雙雙晉升“全球安放50強”，?？蹬琶诙?，大華排名第五。從年營收數(shù)據(jù)來看，?？祻?006年不到8個億的營業(yè)收入，到2016年，主營輸入達(dá)到了320億元，大華股份的營業(yè)額便是在10年間增長了近百倍，2016年，主營收入達(dá)到了133億元。

　　圖五 2006年至2016年編解碼芯片價格趨勢

　　圖像去隔行單芯片，輝煌時代一去不返

　　電視發(fā)展的早期階段，一般都采用“隔行掃描”技術(shù)，目的是減少傳輸圖像的數(shù)據(jù)量。該技術(shù)將一幀圖像分為前后兩場，奇數(shù)行一場為奇場，偶數(shù)行一場為偶場。先發(fā)送奇場的數(shù)據(jù)，緊接著發(fā)送的是偶數(shù)行的數(shù)據(jù)，發(fā)送視頻數(shù)據(jù)量將減少一半。隔行掃描時，一幀圖像分為前后兩場，場間間隔時間為喊間間隔時間的一半。即，掃描光柵在奇場從左到右，從上往下隔一行掃描一行，直到最后一行，在偶場按同樣的掃描方式進(jìn)行。為了圖像效果更加好，在顯示端，一般都會使用去隔行芯片，對視頻圖像進(jìn)行處理。去隔行的方法有多種，包含了場間插值、場內(nèi)插值、運動補償?shù)确椒ā?/p>

　　單芯片去隔行芯片的過去主要半導(dǎo)體廠家有美國的TI、日本的i-Chips和韓國的Macro Image，國產(chǎn)的去隔行單芯片基本沒有廠家介入。從全球范圍來看，消費量終端的顯示器是非常多的，在VIDOE時代，去隔行芯片的使用量非常巨大。隨著1080p分辨率普及，TVBS信號的應(yīng)用逐步減少，取而代之的是3G SDI，同時DP、DVI信號協(xié)議里邊不在包含i制信號，在專業(yè)視頻應(yīng)用領(lǐng)域，單去隔行芯片的需求正在減少。

　　目前在專業(yè)的視頻處理領(lǐng)域，視頻處理廠家如美國的巴可、中國的威創(chuàng)視訊、淳中等，為了追求最佳的視頻顯示質(zhì)量和舊產(chǎn)品的維護，還有一定的單芯片去隔行需求，但是其他小小廠家基本就直接放棄隔行視頻的處理。單芯片的去隔行已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)化為芯片視頻處理的一個模塊。據(jù)統(tǒng)計機構(gòu)WitsView最新調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2016年全球液晶電視總出貨量為2.19億臺，按照80%計算，需要帶去隔行功能的芯片年需求量大概在1.76億片。但是，在筆者看來，隨著高清視頻普及和傳輸?shù)綉魩挼纳壧岣?，去隔行功能模塊也將逐步推出歷史舞臺。

　　視頻格式轉(zhuǎn)換芯片，國際半導(dǎo)體廠家的舞臺

　　視頻格式轉(zhuǎn)換技術(shù)是當(dāng)今信息領(lǐng)域的研究熱點之一，以美國和臺灣公司為主相繼推出多種芯片，如Genesis Microelectronics、Gennum Corporation、Trident、Trumpion(Taiwen)、Etron Technology、Macronix International、Philips Semiconductor、Sunplus Technology、i-chips等，國內(nèi)在該方面目前尚處于起步階段。

　　格式轉(zhuǎn)換技術(shù)其應(yīng)用場合要求它具有高實時性、低代價實現(xiàn)，因此格式轉(zhuǎn)換研究從一開始就非常注重算法的ASIC化，在初期VLSI集成度比較小時，主要研究單幀線性內(nèi)插，以后隨著硅片集成度的提高，逐漸采用幀間的多幀算法的自適應(yīng)算法，到90年代后期，運動估計技術(shù)可以單片集成時，運動估計的格式轉(zhuǎn)換才蓬勃發(fā)展。今天，硅片的集成度還在不斷提高，隨著片上系統(tǒng)(SystemOnChip)成為可能，格式轉(zhuǎn)換將會發(fā)展出更加復(fù)雜、高效的技術(shù);可能的方向是運用更多幀的信息，進(jìn)行更精確、復(fù)雜的運動補償。

　　隨著4k、8K液晶電視的推出，視頻格式轉(zhuǎn)換特別是縮放技術(shù)顯得尤為重要。目前很多4k電視，因為在視頻傳輸這塊還跟不上，大部分是采用視頻放大功能的。尚未成熟的8k更是如此。這里不得不提日本的視頻縮放公司i-chips，拋開愛國情懷不說，在視頻行業(yè)搞技術(shù)的從業(yè)者都對i-chips的產(chǎn)品肅然起敬。在縮放這塊，i-chips可以說是數(shù)10年如一日做這一產(chǎn)品，并且用工匠精神把它做到極致，如i-chips732等。還有日本的夏普，最新研發(fā)X8-MEP圖像處理引擎，無論是4K影像內(nèi)容還是電視信號或BD影像，引擎都會根據(jù)影像素材內(nèi)容對細(xì)節(jié)部分進(jìn)行修正處理，以8K清晰度的高精細(xì)影像再現(xiàn)超越現(xiàn)。

　　視頻格式轉(zhuǎn)換芯片是顯示器系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵部件，我國是電視、各類顯示器的生產(chǎn)大國，但是，此類產(chǎn)品中的關(guān)鍵芯片目前大部份被美國或日本的芯片廠商所控制。國產(chǎn)的視頻芯片僅有華為海思、珠海全志幾家，尚未形成氣候。

　　視頻處理未來趨勢

　　更低的功耗，最理想的情況是高清終端本身的功耗降低到通過自然散熱即可穩(wěn)定工作的程度，隨著芯片工藝的不斷成熟，為低功耗提供了可能性。綠色地球，是大勢所趨。

　　更高的壓縮能力，隨著網(wǎng)絡(luò)市場對高清說頻產(chǎn)品的分辨率的要求不斷提高，一般的720P分辨率已經(jīng)有點提襟見肘，500萬、800萬甚至1200萬的像素需求在不斷涌現(xiàn)，對不同格式碼流的需求也成為標(biāo)準(zhǔn)配置。這些對高清視頻芯片的壓縮能力提出了更大的挑戰(zhàn)。

　　智能分析整合，人臉識別，大數(shù)據(jù)分析等智能視頻技術(shù)蓬勃發(fā)展，越來越多的在實際應(yīng)用中得到普及推廣，隨著高清4k時代的到來，信息量成倍增加的前提下，智能視頻算法集成進(jìn)去視頻芯片里邊已經(jīng)是勢不可擋。

　　視頻可從配置技術(shù)，F(xiàn)PGA巨頭賽靈思reVISION 支持以最快速度打造響應(yīng)最快的視覺系統(tǒng)，相比最具競爭力的計算嵌入式 GPU 和典型 SoC，將機器學(xué)習(xí)推斷的單位功耗圖像捕獲速度提升了 6 倍，將計算機視覺處理的單位功耗幀速度提升了 42 倍，時延降低為 1/5?？梢灶A(yù)見，未來的視頻芯片集成reVision技術(shù)是必配。

　　縱觀國產(chǎn)視頻芯片的10年，海思半導(dǎo)體借助H.264/265的編解碼，協(xié)同?？?、大華、威創(chuàng)等國內(nèi)視頻應(yīng)用廠家，已經(jīng)在IP編解碼市場起到了引領(lǐng)作用。但是，在其他視頻處理芯片市場，國內(nèi)的半導(dǎo)體廠家還需要抓住視頻處理的趨勢，迎頭趕上。筆者預(yù)計，未來的視頻芯片具備上述4點趨勢，如果國內(nèi)半導(dǎo)體廠家能牢牢抓住，必將成為“站在風(fēng)口上的豬”。