逆襲有望 縱觀(guān)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(lèi)獲取和交換信息的主要來(lái)源，據統計人類(lèi)有80%以上的信息來(lái)自于視頻圖象。在人類(lèi)歷史發(fā)展過(guò)程中，視覺(jué)感知在學(xué)習、生產(chǎn)和各種知識傳承中占據了主要作用。視頻技術(shù)也在不斷地發(fā)展，從576i到現在的4k，以及未來(lái)的8k，分辨率擴大了幾十倍，不斷地滿(mǎn)足了人們對視頻高清的需求。高清晰度的視頻在各個(gè)領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣，3D技術(shù)也日趨成熟，需要對海量視頻數據進(jìn)行復雜處理的應用越來(lái)越多，這個(gè)趨勢也倒逼視頻處理芯片行業(yè)不斷前行?？v觀(guān)中國這10年視頻處理行業(yè)的發(fā)展，可以說(shuō)是一個(gè)縮小版的半導體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(gè)環(huán)節都是緊緊相扣，如何一個(gè)環(huán)節拖后腿，都是會(huì )導致整個(gè)視頻生態(tài)圈的問(wèn)題。但是，在這4個(gè)環(huán)節中，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、視頻格式轉換等。

　　視頻編解碼芯片，原是國外廠(chǎng)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視頻壓縮標準發(fā)布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標準。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的聯(lián)合開(kāi)發(fā)組共同開(kāi)發(fā)的最新國際視頻編碼標準。通過(guò)該標準，在同等圖象質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標準提高了2倍以上，因此，近幾年來(lái)H.264被普遍認為是最有影響力的行業(yè)標準。

　　圖一 H.264編解碼流程

　　H.264標準的使用了幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，分別是幀內預測編碼、幀間預測編碼、整數變換、量化和熵編碼。幀內編碼用來(lái)縮減圖像的空間冗余。幀間預測編碼利用連續幀中的時(shí)間冗余來(lái)進(jìn)行運動(dòng)估計和補償，預測采用了基于4×4像素塊的類(lèi)似于DCT的整數變換。量化，H.264中可選32種不同的量化步長(cháng)，這與H.263中有31個(gè)量化步長(cháng)很相似，但是在H.264中，步長(cháng)是以12.5%的復合率遞進(jìn)的，而不是一個(gè)固定常數。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(cháng)編碼(UVLC)和基于文本的自適應二進(jìn)制算術(shù)編碼(CABAC)。H.264的編碼和解碼流程具體見(jiàn)圖一。

　　由于H.264具備高壓縮性，同時(shí)適合在網(wǎng)絡(luò )里邊進(jìn)出傳輸，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)地不斷發(fā)展，各個(gè)半導體廠(chǎng)家也看到了這個(gè)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域的視頻編解碼芯片，大力推動(dòng)了整個(gè)市場(chǎng)的發(fā)展。

　　可以說(shuō)，在2010年之前，國內的自研芯片基本處于樣機或者自用階段，市場(chǎng)的接受度非常的低。據粗略數據統計，見(jiàn)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半導體巨頭占領(lǐng)了中國幾乎一半市場(chǎng)。其原因在于國外廠(chǎng)家有豐富的經(jīng)驗積累，深耕在這個(gè)領(lǐng)域多年，熟悉產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)，國產(chǎn)芯片的穩定性也有待提高。當時(shí)，應用視頻行業(yè)的廠(chǎng)家，對于芯片的選型基本只考慮國外芯片，選擇國內芯片的鳳毛麟角。

　　圖二 2006年編解碼芯片國內出貨占比

　　國產(chǎn)廠(chǎng)商的橫空出世，華為海思表現搶眼

　　中星微電子從2006年開(kāi)始啟動(dòng)IP視頻監控系統的研發(fā)和設計，并在網(wǎng)絡(luò )攝像機專(zhuān)用芯片、解碼終端以及在視頻監控平臺方面持續投入，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(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)增益等圖像處理功能;視頻編碼支持SVAC和H.264標準，為安防監控系統實(shí)現更加可靠和靈活的應用。截止到2017年，中星微電以及在美國納斯達克上市，并從芯片設計業(yè)務(wù)擴展到視頻監控整機設備廠(chǎng)家，逐步在國際市場(chǎng)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(chǎng)的蓬勃發(fā)展，聯(lián)手?？荡笕A對國外半導體巨頭進(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(chǎng)戰穩了陣腳。同時(shí)，華為還力推H.265，是H.265的主要技術(shù)標準貢獻者。隨著(zhù)安防監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(huà)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(huà)質(zhì)方面的難題?；贖.265技術(shù)的視頻應用正逐步普及。下圖為H.265與H.264碼率對比表。H.265不僅可以降低1080p等當下主流高清格式的碼率(1080p僅需1~2Mbps碼率)，同時(shí)也適用于4K和8K等超高清視頻，H.265標準讓網(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(chǎng)、商業(yè)市場(chǎng)和行業(yè)市場(chǎng);分辨率從D1到最新的4k，幀率高達60fps。這些全面的布局和高可靠性，深得視頻應用廠(chǎng)家的愛(ài)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(wú)新編解碼芯片推出。

　　據粗略數據統計，見(jiàn)下圖四，中國市場(chǎng)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)了國內一半以上市場(chǎng)。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(kāi)始進(jìn)入中國市場(chǎng)，在8k方面已經(jīng)確立其技術(shù)領(lǐng)先地位。

　　圖四 2006年編解碼芯片國內出貨占比

　　隨著(zhù)國產(chǎn)芯片廠(chǎng)家參與到視頻編解碼芯片設計大軍中，推動(dòng)了行業(yè)芯片價(jià)格降低。筆者按照歷史采購數據，同時(shí)以單通道編解碼價(jià)格來(lái)折算，按照1為某個(gè)單位價(jià)格折算(具體價(jià)格數據各個(gè)廠(chǎng)家均不便直接給出)，繪制出各個(gè)芯片廠(chǎng)家的價(jià)格對比和趨勢圖，見(jiàn)圖五。從圖中我們可以看到，芯片價(jià)格一直在降低，同時(shí)，國內廠(chǎng)家海思因為其成本控制原因，價(jià)格有很大優(yōu)勢，從而倒逼國家巨頭不得不下調出貨價(jià)。受益以芯片廠(chǎng)家的價(jià)格競爭，芯片編解碼應用廠(chǎng)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(cháng)速度異常強勁，在國際市場(chǎng)上已經(jīng)和應用廠(chǎng)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(yíng)收數據來(lái)看，?？祻?006年不到8個(gè)億的營(yíng)業(yè)收入，到2016年，主營(yíng)輸入達到了320億元，大華股份的營(yíng)業(yè)額便是在10年間增長(cháng)了近百倍，2016年，主營(yíng)收入達到了133億元。

　　圖五 2006年至2016年編解碼芯片價(jià)格趨勢

　　圖像去隔行單芯片，輝煌時(shí)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據量。該技術(shù)將一幀圖像分為前后兩場(chǎng)，奇數行一場(chǎng)為奇場(chǎng)，偶數行一場(chǎng)為偶場(chǎng)。先發(fā)送奇場(chǎng)的數據，緊接著(zhù)發(fā)送的是偶數行的數據，發(fā)送視頻數據量將減少一半。隔行掃描時(shí)，一幀圖像分為前后兩場(chǎng)，場(chǎng)間間隔時(shí)間為喊間間隔時(shí)間的一半。即，掃描光柵在奇場(chǎng)從左到右，從上往下隔一行掃描一行，直到最后一行，在偶場(chǎng)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(huì )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(chǎng)間插值、場(chǎng)內插值、運動(dòng)補償等方法。

　　單芯片去隔行芯片的過(guò)去主要半導體廠(chǎng)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(méi)有廠(chǎng)家介入。從全球范圍來(lái)看，消費量終端的顯示器是非常多的，在VIDOE時(shí)代，去隔行芯片的使用量非常巨大。隨著(zhù)1080p分辨率普及，TVBS信號的應用逐步減少，取而代之的是3G SDI，同時(shí)DP、DVI信號協(xié)議里邊不在包含i制信號，在專(zhuān)業(yè)視頻應用領(lǐng)域，單去隔行芯片的需求正在減少。

　　目前在專(zhuān)業(yè)的視頻處理領(lǐng)域，視頻處理廠(chǎng)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(chǎng)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)逐步轉化為芯片視頻處理的一個(gè)模塊。據統計機構WitsView最新調研數據顯示，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(lái)，隨著(zhù)高清視頻普及和傳輸到戶(hù)帶寬的升級提高，去隔行功能模塊也將逐步推出歷史舞臺。

　　視頻格式轉換芯片，國際半導體廠(chǎng)家的舞臺

　　視頻格式轉換技術(shù)是當今信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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，國內在該方面目前尚處于起步階段。

　　格式轉換技術(shù)其應用場(chǎng)合要求它具有高實(shí)時(shí)性、低代價(jià)實(shí)現，因此格式轉換研究從一開(kāi)始就非常注重算法的ASIC化，在初期VLSI集成度比較小時(shí)，主要研究單幀線(xiàn)性?xún)炔?，以后隨著(zhù)硅片集成度的提高，逐漸采用幀間的多幀算法的自適應算法，到90年代后期，運動(dòng)估計技術(shù)可以單片集成時(shí)，運動(dòng)估計的格式轉換才蓬勃發(fā)展。今天，硅片的集成度還在不斷提高，隨著(zhù)片上系統(SystemOnChip)成為可能，格式轉換將會(huì )發(fā)展出更加復雜、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、復雜的運動(dòng)補償。

　　隨著(zhù)4k、8K液晶電視的推出，視頻格式轉換特別是縮放技術(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(kāi)愛(ài)國情懷不說(shuō)，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(shuō)是數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(wú)論是4K影像內容還是電視信號或BD影像，引擎都會(huì )根據影像素材內容對細節部分進(jìn)行修正處理，以8K清晰度的高精細影像再現超越現。

　　視頻格式轉換芯片是顯示器系統中不可或缺的關(guān)鍵部件，我國是電視、各類(lèi)顯示器的生產(chǎn)大國，但是，此類(lèi)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(chǎng)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(lái)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(guò)自然散熱即可穩定工作的程度，隨著(zhù)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(zhù)網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)對高清說(shuō)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(diǎn)提襟見(jiàn)肘，500萬(wàn)、800萬(wàn)甚至1200萬(wàn)的像素需求在不斷涌現，對不同格式碼流的需求也成為標準配置。這些對高清視頻芯片的壓縮能力提出了更大的挑戰。

　　智能分析整合，人臉識別，大數據分析等智能視頻技術(shù)蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的在實(shí)際應用中得到普及推廣，隨著(zhù)高清4k時(shí)代的到來(lái)，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)，FPGA巨頭賽靈思reVISION 支持以最快速度打造響應最快的視覺(jué)系統，相比最具競爭力的計算嵌入式 GPU 和典型 SoC，將機器學(xué)習推斷的單位功耗圖像捕獲速度提升了 6 倍，將計算機視覺(jué)處理的單位功耗幀速度提升了 42 倍，時(shí)延降低為 1/5?？梢灶A見(jiàn)，未來(lái)的視頻芯片集成reVision技術(shù)是必配。

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