屏幕文化给显示芯片带来了更大的压力

正如阴极射线管技术已被降级为专业工业和医疗环境一样，OLED（有机发光二极管）由于其卓越的图像质量和对比度，在某些应用中正在超越 LCD（液晶显示器）。

但 OLED 并不是一刀切的。一系列新技术正在开发中，以满足消费者对更好、更亮、分辨率更高的屏幕的需求——在某些情况下很大，在其他情况下很小——以及户外功能、灵活性、可折叠性等等。

“在显示器会议上，你会看到可卷曲显示器、可拉伸显示器、显示器中的传感器，如太阳能传感器，”Synaptics 产品营销总监 Sam Toba 说。“你已经拥有常规的触摸传感器。将有生物识别传感器，因此可以读取脉搏和氧气水平。嵌入式光传感器已经出现。需要光传感器来补偿不同种类的光，无论是荧光光还是不同的颜色水平。接近传感器很重要，这样当您将手机放在脸上时就不会错过触摸。这些传感器将增强触摸，更大的指纹面积即将到来。

对更高分辨率、更好色彩准确度和更快响应时间的需求给显示芯片系统带来了压力。“数据量越来越大，”Cadence 验证软件产品管理高级集团总监 Matthew Graham 说。“许多显示技术是由游戏或对高像素率和高刷新率的需求驱动的，这意味着大量的高带宽内存、大量的高带宽互连。这种类型的设计需要能够处理非常大的系统、非常高的速度、能够运行更多周期、在使用这些非常大的数据集和工作负载时更快地进行更多验证的验证工具。

显示器变得越来越身临其境，用户通常想要多个屏幕，而以前一个屏幕就足够了。Rambus产品管理总监Simon Bussieres表示：“随着每个系统的显示器数量增加，这带来了带宽、功耗和信号完整性方面的挑战，尤其是在汽车和高分辨率娱乐领域。“随着像素密度的上升和刷新率的攀升，互连和内存子系统必须相应地扩展，以提供无缝的用户体验。VESA DSC 等视觉无损压缩技术可以帮助实现与高级显示应用需求相称的互连规模，同时显着降低所需的带宽。

图 1：多显示器使用变得越来越普遍。 来源：英飞凌

屏幕在许多行业都在迅速增加，尤其是在汽车领域。“我们现在在车辆中看到了很多屏幕，”Imagination Technologies 产品管理高级总监 Rob Fisher 说。“乘客座椅上有屏幕、数字后视镜、平视显示器和信息娱乐面板。我什至在变速杆顶部看到了一个小迷你屏幕的插图。到处都有屏幕，传达大量不同的东西。通信对这些来说非常重要，但屏幕数量提高了对 GPU 的要求。

与所有边缘设备一样，电源成为关键问题。“它总是会回到能量——特别是能量和电力，现在这么多显示器都是智能的，”Arteris 首席营销官 Michal Siwinski 说。“你内置了很多人工智能逻辑，这意味着更多的计算。你是如何设计的？你如何构建它来做到这一点？这是一个边缘的人工智能或机器学习问题，显示器绝对受到它的影响。

一种节省功耗的方法是使用低温多晶氧化物 （LTPO），这是一种背板技术，可以减少显示器的刷新频率，这种技术在高端 OLED 中比 LCD 更常见。

“所有的苹果手机都将采用 LTPO，高端安卓手机也将采用 LTPO，”Synaptics 的 Toba 说。“使用 LTPS（低温多晶硅），所有东西都会泄漏，因此您必须不断刷新显示屏才能保留图像，而 LTPO 有一个允许像素保留的元件。您可以改变刷新率并将其降至 1 Hz。您无需使用 LTPS 以每秒 60 次的速度刷新，只需每秒刷新一次 LTPO，这意味着您不必一直刷新主机端应用程序处理器。它节省了电力，所以这是不断增长的细分市场。

OLED 类型和挑战
手机占面板市场的近 50%，因此那里的变化可以预示其他地方的未来趋势。“大约有 14 亿个电话面板正在发货，”Toba 说。“由于更换面板，出货的面板数量高于实际手机，然后面板工厂会出现产量损失。LCD 现在约为 7 亿台，OLED 现在接近 8 亿台，因此在截至 2025 年 6 月的 25 财年，我们在手机历史上首次看到市场上的 OLED 出货量超过了 LCD。

其他类型的 OLED 包括基于玻璃基板的刚性 OLED。“只有三星生产它们，但它们的出货量约为 1.61 亿，”Toba 说。“这些正在蚕食高端 LTPS LCD 的产品。OLED 的另一大类是基于塑料基板的柔性 （FOLED）。这是大多数，因为所有中国 OLED 供应商都基于这种塑料。有些人称之为 P-OLED 技术，这种技术在这里发展得非常迅速。

不同类型的 OLED 具有不同的优势和相应的挑战。

“制造商在设计OLED时，最重要的三件事是亮度、比色信息和对比度，”Ansys高级应用工程经理Sandra Gély说。“使用 OLED，您通常可以获得非常好的对比度，这就是使用它的原因。但是对于比色信息，您可能会遇到 OLED 问题。你可以有颜色偏移。当您查看正面的 OLED 屏幕或侧面时，可能会因颜色而出现一些问题。当你从侧面看时，它可以更绿，或者当你从侧面看时，你的亮度可能会更低。

典型的显示组件包括 PMIC;栅极驱动器，用于控制流向显示像素的电流;微控制器;和触摸控制器（如果它有触摸屏）。此外，OLED往往需要一个小型闪光芯片来补偿数百万像素中的不均匀光线。

“如果它们没有均匀性，你会看到不均匀，即使颜色相同，也会产生波浪状的效果，”鸟羽说。“他们称之为 mura。为了消除这一点，他们有这些补偿算法，并且该闪存包含补偿值。这就像村闪光灯。

图2：显示驱动器。 来源：Synaptics

图像增强功能，例如针对不同像素图案的 demura 补偿、自适应亮度、颜色和伽玛，都是通过算法实现的，这些算法可以补偿屏幕中的缺陷或使其更清晰（尤其是在边缘）并防止边缘。“这些与人工智能不同，”鸟羽说。“它们是更简单的算法，基本上可以掩盖缺陷，或者掩盖屏幕上的不均匀性，因为你的人眼非常擅长判断某些东西何时略有偏差，因此需要补偿。”

不均匀性是制造商试图解决的关键挑战之一。“这就是为什么他们也发明了新技术，”Gély 说。“量子点 （QD-OLED） 可以对所有这些不同的元素进行更多控制。还有 microLED，但这项技术仍然是新的，而且仍然相当昂贵。不同的技术需要足够便宜，并且需要在三个标准上保持高效。

与有机 LED 相比，microLED 由于使用无机 LED，使用寿命更长。该技术对每个像素使用微小的氮化镓 （GaN） LED。它们布置在背板上，背板通常是薄膜晶体管显示器。TFT 控制每个单独的 LED。MicroLED 具有许多优点，但制造起来困难且成本高昂。

初创公司 Q-Pixel 正在应对这些挑战。“MicroLED 比 LED 小得多，它们消耗的功率要少得多，而且亮度也高得多，”Silicon Catalyst 首席运营官 Nick Kepler 说。“它们不是出现在我们看到的每个屏幕上的原因是，到目前为止，它们的制造成本非常非常高。当今市场上唯一的 microLED 屏幕是三星电视，售价为 150,000 美元。

Q-Pixel 有两项关键创新，可以彻底改变 microLED，使其成为下一个大型显示屏技术。“今天 LED 的工作方式是你有红色、绿色和蓝色 LED，你在带有三个 LED 的像素中使用这三种颜色，然后你打开或关闭它们以获得所有不同的颜色，”开普勒说。“但是每个像素需要三个 LED。Q-Pixel 已经找到了一种创建单个 LED 的方法，他们可以使用电压在可见色谱上一直改变颜色。他们可以将像素调整为他们想要的任何颜色，这意味着每个像素只需要一个 LED。它是任何其他 microLED 的三分之一，而且 microLED 已经更小了。他们所做的另一件事，可以说对于使 microLED 成为未来的技术更重要，那就是制造它们几乎没有损失——采用专有制造技术实现 99.99999% 的良率，这将大大降低成本，因此电视屏幕将不再是 150,000 美元。

寻求更少的层数与
OLED 相比，LCD 的一个好处是更容易开发触摸和显示驱动器集成 （TDDI），这意味着您可以移除基于薄膜的传感器。

“我们提供的 TDDI 用于 LCD 技术，对于面板堆栈上的 LCD，有一个 VCOM 层作为显示器的一部分，可以分割成传感器块，”Toba 说。“传统上，LCD 的最顶部有一个基于胶片的传感器。现在，您可以使用该 VCOM 层，该层被分段以感应触摸。这意味着你可以摆脱那部电影，你可以在手机上节省 2 或 3 美元，在大面板上可能节省 10 到 12 美元。当然，面板制造商有动力节省成本，以便最终客户可以以更便宜的价格购买或将差价收入囊中。它不仅使它更便宜，而且因为你不再有胶片，它在光学上更好。

删除图层意味着阻挡光线的东西更少。“这在 OLED 领域也发生了，他们希望移除偏光片，”Toba 说。“移除偏光片可节省约 30% 的光线遮挡。三星称之为生态 OLED。

偏振片提高了阳光下的能见度，因为它可以防止反射。如果制造商选择将其移除以使屏幕更薄，那么他们可以在像素之间放置光墙，这样当光线进入时，它不会从中反射出来，而是反射到墙上。即使在阳光下，通过这种新型结构，它们也可以在一定程度上克服偏光片的不足。这对于可折叠手机和翻盖手机尤为重要。

在 OLED 上，不可能对 VCOM 进行分段，这就是该技术仍在单元上的原因。“它是单元上的金属网，痕迹在像素之间穿行，”Toba 解释道。“OLED 上的传感器不会阻挡光线，但使用 OLED，你有偏振器，这就是阻挡光线的东西。人们正试图尽可能多地删除。最终，人们想出了如何做完整的单元内 OLED。但现在，所有的内置和 TDDI 都在 LCD 中。

仿真、验证、安全性
OLED和LED显示器在各种环境下的性能取决于显示像素的发射特性、照明条件和人类感知等方面。仿真在决定将哪种技术用于特定应用方面起着关键作用。工具可以模拟像素的纳米和微观结构，并可以在典型环境中对整个宏观显示进行光度分析。

例如，汽车平视显示器与电视显示器或计算机显示器有不同的要求。“这是一个不同的系统，因为在平视显示器上，你不仅有显示器，”Ansys的Gély说。“你还有一个系统，可以将你的显示器投影到挡风玻璃上，在合路器上。通常，可以使用的是 LCD 显示屏，并且与电视中的技术类型相同，但挑战不同。通常，您在车内的空间很小，可以放置您的手机系统，因此您仍然需要拥有最佳的分辨率、亮度，其中很多，而在电视上，您有更多的像素和类似的东西。但它使用类似的技术来控制光的发射率。

可折叠显示器呈现更多变量。“我们将在特定位置模拟可折叠显示器并进行分析，看看它是否运行良好，性能是否良好，我们可以测试不同的位置，”Gély 说。“我们的客户问的一件事是，当结构存在一些问题时，例如显示屏一侧的应力，它会如何影响可折叠显示屏？这可能会发生，这些都是我们可以查看和分析的事情。

无论是可折叠手机像翻盖一样翻开，还是像书本一样折叠打开，市场仍然很小，但正在增长。“大约五年后，它仍将达到约 8000 万台，或移动 OLED 总数的十分之一，”Toba 说。“但它增长得相当快。你可以把它们放在口袋里。折叠仍然有点厚，但最新的三星和普通的直板手机一样薄。

随着设计变得越来越复杂，它们可能更容易出现错误和错误，例如显示伪影闪烁或完全显示故障。“显示器本身与制造有很大关系，”Cadence 的格雷厄姆说。“但就系统而言，验证确实是无限的问题。如果将栅极数或晶体管数加倍，则对状态空间进行平方。这是一个指数级大的问题，更多的像素、更高的速度等于更多的门，这更有可能出现错误。

DisplayPort 使用计算机背面的插头来连接显示器，只会增加验证挑战。“现实情况是，设备中处于活动状态的 DisplayPort 要多得多，”格雷厄姆说。“我们的手持移动设备、手持游戏或任何便携式设备、笔记本电脑，也都是 DisplayPort 或类似协议。”

安全性是另一个挑战。“现在的电视实际上是一台带显示器的计算机，”新思科技首席安全技术专家迈克·博尔扎 （Mike Borza） 说。“越来越多的电视中的调谐器不被使用，或者有选择地使用。人们正在进行大量流媒体播放，而这些东西往往连接到互联网。对于拥有电视的人来说，仅仅将电视放在家里就有风险。对于语音作的遥控器，该麦克风可以远程打开，然后坐在那里听。无论你的客厅或电视室里发生什么，其他人都在监控。大公司最近被抓到这样做。

在汽车领域，屏幕可以用于信息娱乐，也可以传达安全信息。在这两种情况下，它们都可能带来安全风险。“显示器是汽车安全系统的一部分，因为它们可以访问车辆控制系统的各个部分，”Borza 指出。“诸如通过控制台和信息娱乐屏幕作的倒车摄像头之类的东西是安全功能，或者至少是控制或影响机动车辆安全运行的功能。这些东西需要安全性，现在它正在发布到进出车辆显示器的显示链路中，以及连接到处理摄像头输入的中央计算机的远程摄像头中。

触摸显示芯片与挑战
触摸显示屏是手机和平板电脑以及新车的标准配置。例如，英飞凌的汽车多点触控可编程 SoC MCU 配备 Arm Cortex CPU，支持车辆信息娱乐系统中的大型 OLED 和 micro-LED 显示屏。

图 3：带有 LCD 或 OLED 面板选项的汽车中心信息显示屏。 来源：英飞凌

然而，在从 LCD 到 OLED 的转换中，面板变得更薄，触摸传感器变得更接近晶体管打开和关闭的嘈杂像素。

“随着触摸层越来越近，背景电容也越来越高，”Toba 说。“你的板更近了。有了这个背景电容，你必须感知相当于飞法的手指信号。当你从 LCD 到刚性塑料再到柔性塑料基时，它变得更具挑战性，因为它们变得越来越薄。 

触摸传感器的背景噪音主要有两种类型。“一种是显示器到触摸的噪声，D 到 T，但一旦你到达 LTPO，也会有触摸到显示器的噪声，因为 LTPO 会发生什么？你可以减少刷新频率，但这也意味着像素现在对触摸信号本身很敏感，“他解释道。“如果显示器太吵，你可能会受到重影的影响。如果 LTPO 上的触摸噪音太大，您可能会在显示屏上看到这些条纹伪影。有很多事情使现代面板变得越来越困难。

图 4：触摸控制器。 来源：Synaptics

市场趋势在
移动市场中，LCD 已经商品化。它不再是智能手机中独特或与众不同的功能。“有 LTPS 面板，也有无定形面板，”Toba 说。“正在发生的事情的一部分是无定形将是低端，所以面板大约需要 7 美元。大约五到六英寸的 LTPS 大约是 18 到 20 美元。LTPS LCD 面板的成本已与低端 OLED 相似。低端 OLED 的价格约为 20 美元，具体取决于功能。所以LTPS和OLED低端的价格几乎是一样的。从 LTPS LCD 到 OLED 已经出现了交叉。如果你要买面板，如果价格相同，你不妨买绚丽的 OLED。我们认为 LCD 不会消失，但 LTPS 肯定会被 OLED 吞噬。

图5：触摸移动面板市场趋势。来源：Synaptics

根据 TrendForce 集邦咨询的一份报告，在具有近眼显示器的头戴式设备中，例如 MR/VR 护目镜和 AR/AI 眼镜，OLEDoS（硅基）正在主导高端 VR/MR 市场，而 LEDoS 在 AR 领域显示出潜力。LEDoS 旨在通过量子点颜色转换 （QDCC） 和垂直芯片堆叠结构这两种技术实现全彩显示能力。报告称：“OLEDoS 与 BirdBath 光学结构相结合，是当前的市场领导者，也是为数不多的跨越 VR/MR 和 AR 领域的显示技术之一。鸟盆结构有一个球面镜/组合器（部分镜）和一个分束器，它们共同模仿了两层鸟盆。

TrendForce集邦咨询表示，由于三个因素，电视市场的OLED技术停滞不前——供应有限、索尼从OLED转向Mini LED背光，以及对第8.5代生产的关注限制了OLED迎合不同电视尺寸的灵活性。然而，高端显示器的 OLED 采用率有所增长，预计到 2027 年将达到近 500 万台，高于 2023 年的 500,000 台。TrendForce集邦咨询表示，如果能够在串联结构、氧化物背板、无FMM蒸发和蓝色磷光材料等领域取得技术进步，OLED笔记本电脑和平板电脑可能会遵循同样的趋势。

Counterpoint 报告称，OLED 面板总收入预计将在 2025 年略有下降，但在 2026 年反弹。OLED 显示器单元同比增长 68%，而 OLED 笔记本电脑下降 18%。

即使向OLED迈进，TrendForce集邦咨询指出，LCD技术仍为通过组件优化来提升规格提供了相当大的空间。例如，液晶材料的改进可以缩短响应时间并减少头晕。此外，LTPO 等背板技术的升级可以突破 PPI 极限。而背光系统通过激光光源的集成，可以提高光的利用效率。

结论
显示器的尺寸和形状在不断发展，但主要趋势是无处不在，从微型个人设备到体育比赛中的巨型屏幕和音乐会上的大屏幕。全息显示器已经出现，它使用 4K 屏幕通过玻璃光学器件反射数字内容。只有逼真的全息图才能结束屏幕在某些应用中的主导地位，但所有这些技术的一个共同因素是半导体，而且这些芯片的数量和复杂性正在增长。