高刷新率显示器

薄膜晶体管半导体液晶显示器以其轻薄、低能耗、高画面品质等优势，在家庭娱乐、移动显示、工作办公、市场广告等几乎所有场景都有着广泛的应用。近年来，随着电子竞技比赛的快速发展，并成为国家级正式体育项目，游戏显示（Gaming），逐渐成为显示器件的一个重要发展分支。那么，Gaming 显示有什么特征？ Gaming 显示的技术挑战及对策是什么？Gaming显示器的相关标准是什么呢？本文将针对上述问题一一进行介绍。一.Gaming显示器特征Gaming显示器专注于进行游戏画面显示，游戏画面具有元素丰富、色彩鲜艳复杂，且运动画面多、运动速度快等特点。因此，对于Gaming显示器而言，最大的特征是，为了更流畅平滑的将高速运动的游戏画面生动的显示出来，就需要显示器具有与之匹配的高刷新率；同时，为了匹配更高刷新率，也需要显示器具备与刷新率匹配的高响应速度，这样才能在高刷新率下，确保画面显示不会在帧与帧之间存在画面的拖尾；另外，由于游戏画面的产生是由显卡渲染而成，而显卡对于不同色彩复杂程度的画面渲染（Render）时间长短不一，如图1所示，针对某款游戏中的不同画面，显卡渲染时间最短只需要7ms，最长则需要32ms才能完成[1]。因此，对Gaming显示器，为了避免不同显示频率与画面频率不匹配导致画面异常，通常需要频率可根据画面内容在一定范围内自适应调节的功能。图1：游戏中不同画面渲染时间二.Gaming显示技术挑战及对策Gaming显示器的特征需求，对技术实现上会带来诸多挑战，不过，随着技术的不断向前发展和更新，针对这些挑战，从显示面板、驱动芯片、材料等各方面，都不断找到了很多改善对策，确保Gaming产品持续迭代升级。1. 高刷新率：高刷新率是Gaming显示器最主要的特征指标，也是主要的技术挑战。刷新率越高，意味着在1s时间内可以显示更多帧图像，对于高速运动画面中物体位置有更连续、更平滑、更清晰的呈现，因为玩家可以更准确的捕捉物体位置和预测运动轨迹，进而采取更精确、更及时的应对动作，占据游戏主动。因此，刷新率数值一定程度代表了显示器的档位，常规Gaming产品为120Hz和144Hz，更高阶档位Gaming产品有165Hz和240Hz，甚至360Hz及以上超高刷新率。高刷新率的技术挑战主要是面板的驱动能力需要大幅提升。这是因为显示面板都为逐行扫描显示，所有行扫描需在1帧时间内完成，如常规60Hz产品一帧总时间为1s/60Hz≈16.7ms。刷新率越高，则意味着留给每一帧画面扫描的时间相应减少，如120Hz产品一帧总时间为1s/120Hz≈8.3ms。这就需要提升驱动能力，确保在更短的时间内，完成相同的像素驱动。提升显示器的驱动能力，对液晶显示面板阵列的核心要求是确保高刷新率下像素的充电率。通常从两方面来提升，一方面是降低驱动负载，例如增加降低驱动线路走线厚度，降低电阻，或采用电阻率更低的走线材料，另外可以增大不同走线之间绝缘层的厚度，从而降低驱动走线的电容负载，等等；另一方面是提升驱动速度，例如可通过采用氧化物等迁移率更高的半导体材料和制程，提高驱动电流，从而提升驱动速度，等等。高刷新率的技术挑战还有传输速率、带宽等电路相关。刷新率越高，所占据的数据量也等比例增大，因此Gaming产品需要eDP等高速的传输接口和大带宽驱动系统，确保画面的正常显示。2. 快速响应：帧与帧之间切换所需的时间称为响应时间。LCD显示器是通过施加外部电压来控制液晶分子偏转，以调整液晶透光来达到画面显示的目的。而液晶分子从灰阶到灰阶的“偏转态→恢复态→偏转态”之间的响应过程需要一定的时间，即存在液晶延迟反应。因此，响应速度越快，画面越清晰。响应速度也是Gaming产品的重要指标，常规产品响应速度有3ms，高端产品液晶产品可实现1ms。如响应时间太大，超过一帧时间后，会出现需要显示当前一帧的信号时，液晶仍未在上一帧画面处未完全恢复，就容易在人眼视觉上产生拖尾现象。Gaming产品的技术挑战是显示画面运动速度快，很容易产生拖尾现象，进而使动态画面清晰度下降、画面不连贯，带给游戏玩家较差的视觉感受[2]。针对响应时间，通常采用开发快速响应液晶材料，液晶低盒厚设计、像素优化设计和电路驱动增强等对策，使得液晶偏转速度提升，减小响应延时，从而达到减轻画面拖影的目的。普通响应液晶与快速响应液晶的动态画面拖尾显示效果对比如图2所示。图2：普通响应液晶与快速响应液晶的动态画面拖尾显示效果对比3. 变频显示（VRR）：如前所述，目前显示器的通用显示方式是在接收到显卡输出的画面信息后，逐行扫描将画面完整呈现出来，然后等待一段时间后（即V-blanking），进行下一次扫描显示，从而实现画面的反复更新。当液晶显示器的刷新率设定在固定值60Hz时，如果显卡生成图像的帧速也是60FPS（Frame per Second）,此时我们就能看到顺畅的画面。但在实际使用中，由于图像处理器（Graphics Processing Unit，GPU）渲染图像的实时更新传输，显卡输出的帧速可能会高于或低于显示器的刷新率。当显卡GPU输出帧速高于显示器的刷新率时，会出现画面撕裂（Tearing），如图3所示。同样的，当显卡的输出帧速低于显示器的刷新率时会出现画面卡顿（Stuttering）和延迟（Lag）[3]。图3：显示画面出现撕裂示意图为了解决显卡输出帧速和显示器刷新率不匹配引起的图像撕裂和卡顿问题，传统的解决方式是采用垂直同步技术（V-sync）。V-sync技术主要是使显卡输出的视频信号发生在显示器帧切换的V-Blanking阶段，这样显卡输出的帧速就会强制保持与显示器的刷新率同步。然而显卡的性能往往限制了帧画面的处理速度，如果显卡渲染画面的时间比显示器的画面刷新率时间长，依然会出现某帧画面重复显示而引起视觉卡顿现象。因此，显卡厂商为了解决V-sync技术带来的画面卡顿问题，推出了可变帧刷新率（Variable Refresh Rate，VRR）技术。VRR技术通过调整帧与帧之间的V-Blanking长度达到改变帧率的目的，允许显示刷新率随着渲染帧率而动态变化，可以实现显示器的刷新率始终和显卡输出的帧频同步，即显示器的刷新率始终受到显卡的控制，随着显卡帧率的变化而变动，从而确保画面的连贯。图4为V-sync技术与VRR技术对比图，可以看出VRR技术通过调节V-Blanking长度避免了卡顿问题。图4：V-sync技术与VRR技术对比图三.Gaming显示相关标准根据不同的显示驱动方案，Gaming显示技术认证标准可分为AMD Free-Sync和NVIDA G-Sync两种。1.AMD Free-SyncAMD Free-Sync是由美国超微半导体公司推出的一项使用行业标准来实现动态调整刷新率的技术。Free-Sync技术主要是采用DP和HDMI接口，通过动态调整帧与帧之间的V-Blanking长度，可以将显示器的刷新率和兼容Free-Sync技术的显卡帧率进行同步，从而大幅降低画面输入延迟，消除游戏卡顿、撕裂现象，从根本上解决显示难题。目前，Free-Sync技术主要分为Free-Sync、Free-Sync Premium和Free-Sync Premium Pro三个等级。Free-Sync Premium相对于Free-Sync更进一步，其刷新率要求至少支持到120Hz，同时也支持低帧率补偿（Low Frequency Correcting，LFC）。LFC是指当帧率降低到显示器的最小刷新率以下时，会对当前帧率进行倍频，以便达到显示器刷新率范围以内。例如显示器范围为48~144Hz,当前帧频为40FPS，则进行2倍频处理为80FPS，从而以80Hz进行显示。而Free-Sync Premium Pro给电竞显示器带来了更多HDR（High Dynamic Resolution）功能，可以使电竞爱好者享受到HDR级别的视觉体验。表一列出了AMD Free-Sync标准三个等级规格的对比情况。项目Free-SyncFree-Sync PremiumFree-Sync Premium Pro无撕裂√√√低闪烁√√√动态刷新率F范围Fmin≤48HzFmax≥Fmin+20HzFmax≥120HzFmax≥120Hz低帧率补偿可选√（Max Hz）＞2.4 x Min Hz√（Max Hz）＞2.4 x Min HzGTG≤4ms≤4ms≤4ms色域可选可选≥DCI-P3 90%亮度范围可选可选Max ≥ 400 nitAve. ≥ 350 nitMin ≤ 0.25 nit色深可选可选≥ 10bit@DP/HDMI≥ 8bit@eDP表一：AMD Free-Sync标准三个等级规格对比在Free-Sync模式下，动态刷新率的实现主要是通过调整帧与帧之间的V-Blanking长度，刷新率越低，则V-Blanking越长。目前液晶显示器的像素开关单元TFT在关闭状态下仍存在一定的漏电流，这样随着时间增加，像素电容电荷量减少从而影响到液晶偏转，造成同一灰阶在不同的刷新率下存在一定的亮度差异。当这种亮度差异过大时，人眼就会感受到闪烁感。因此，亮度变化特征是评价液晶显示器是否支持Free-Sync技术的一项重要指标。其方式是，首先在常规60Hz下将显示器闪烁（Flicker）调整为最小值，然后在Free-Sync模式下，测试灰阶L128在最小刷新率Fmin下的亮度Lmin和最大刷新率Fmax下的亮度Lmax，要求亮度变化率满足公式（1）： (1)同理，测试灰阶L255的亮度变化率满足公式（2）： (2)2. NVIDIA G-SyncG-Sync技术是由NVIDIA公司提出的一种针对画面连贯性的技术，通过在显示器中内置G-Sync芯片实现与GeForce显卡进行通信。G-Sync技术也是通过调整V-Blanking长度来实现数据同步的。支持G-Sync技术的电竞显示器，可以根据显卡的输出帧速自动调节刷新率，从而解决画面的撕裂、卡顿问题。目前，NVIDIA将G-Sync技术分为了G-Sync Compatible、G-Sync和G-Sync Ultimate三个等级。普通的G-Sync Compatible只需要显示器支持VRR功能，并通过NVIDIA的兼容认证，而不需要在显示器中内置G-Sync芯片。因此，一般支持Free-Sync功能的电竞显示器都可以实现G-Sync Compatible。而G-Sync等级的电竞显示器则需要满足更高的要求，不仅要在显示器中内置G-Sync芯片，还要经过300多项兼容性和图像质量测试。G-Sync Ultimate等级是在G-Sync等级的基础上，通过引入高画质的HDR功能，赋予电竞显示器出色的无失真功能，使电竞爱好者充分感受到画面的每一处细节表现。表二列出了G-Sync标准三个等级的规格对比情况。等级VRR（无闪烁）300+图像质量认证HDR（≥1000nit）G-Sync Compatible√G-Sync √√G-Sync Ultimate√√√表二：NVIDIA G-Sync标准三个等级规格对比G-Sync标准Flicker值基本评价方式如下：首先在常规60Hz下调整闪烁测试图形画面使Flicker为最小值，然后在G-Sync模式下，保持显示画面为全屏L128灰阶，以显示器可支持的最低刷新率进行画面老化30min，然后通过使用测量设备找到当前L128画面的最差Flicker点，并使测量设备探头保持在此位置。最后按照G-Sync的刷新率方式，以步长12Hz，分别测量最低到最高刷新率下灰阶L128的Flicker值。测试结果要求，刷新率大于等于35Hz时，Flicker值小于-45dB（JEITA标准）；刷新率小于35Hz时，Flicker值小于-43dB（JEITA标准）；目前，可通过减小像素TFT Ioff漏电流、开发新液晶材料、Blanking区间数据插值等方法降低Flicker值，改善画面闪烁，提升显示品质。四.总结伴随着电子竞技产业项目的蓬勃发展，以电竞游戏为基础，信息技术为核心的电子竞技比赛对显示设备提出了更高的要求。以高刷新率、低响应时间、无卡顿撕裂、无画面闪烁等为特点的Gaming显示技术不断完善，越来越得到专业人士和游戏玩家们的认可。随着更多新技术的加持，Gaming显示技术也将给用户带来更加极致的观赏体验。参考文献：[1] Gerrit A Slavenburg, Marcel Janssens, Luis Lucas, Robert Jan Schutten, Tom Verbeure. Variable Refresh Rate Displays[C],SID 2020,46-1:669-672 [2] Wu S T . Fundamentals of Liquid Crystal Devices[M].John Wiley & Sons, 2006. [3] 邵喜斌，廖燕平，陈东川，等.薄膜晶体管液晶显示技术原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2022

自《推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动方案》发布实施以来，各地政策持续跟进落地。其中，制造业设备更新成扩大投资重要“发力点”。国家统计局、权威智库发布的数据均显示，设备更新正带动投资需求升温。大规模设备更新持续推进近日，江苏、吉林、江西、湖南等地陆续发布了推动大规模设备更新相关行动方案，浙江、黑龙江、辽宁等地则出台了细化优惠政策。例如，湖南省印发的《方案》中明确，到2027年，全省规模以上工业企业高端化智能化绿色化改造率达到50%以上，工业领域设备投资规模较2023年增长25%以上；规模以上工业企业数字化研发设计工具普及率、关键工序数控化率分别超过90%、75%，工业大市和重点园区规模以上工业企业数字化改造全覆盖。浙江明确对农机报废更新予以补助，支持加快农业机械装备和设施更新；山东加快实施多领域设备数字化、智能化升级，力争推动4000家规模以上工业企业实施设备更新改造，带动工业技改投入900亿元。“我们积极筹措资金80亿元用于兑现相关领域政策。其中，支持工业领域技术改造、设备更新等投资24亿元；支持老旧农业机械报废更新23亿元；支持教育、旅游等领域设备更新15亿元；支持交通、市政等领域设备更新2亿元；等等。”黑龙江省财政厅副厅长王宇表示。有利于投资稳步扩大数据显示，设备更新带动投资需求升温的成效正在显现。“设备更新投资较快增长。”国家统计局国民经济综合统计司司长刘爱华近日表示，在大规模设备更新投资政策带动下，今年前4个月，设备工器具购置投资同比增长17.2%，快于全部投资13个百分点，拉动全部投资增长2.2个百分点。国家信息中心大数据也显示，制造业设备更新成为扩大投资的重要“发力点”。4月制造业领域“项目中标热度指数”同比增长15.3%，是总体增速的近两倍。在新一轮大规模设备更新政策利好带动下，与设备更新改造等相关的“项目中标热度指数”同比大幅增长48.8%，比制造业领域总体增速高33.5个百分点，表明制造业企业提质升级的意愿不断增强。“反映设备更新情况的设备工器具购置投资保持了两位数的增长。随着大规模设备更新细化举措逐步落地，重点领域投资力度继续加大，将加快形成更多实物工作量，有利于投资稳步扩大。”刘爱华说。力度和政策不断“刷新”根据《推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动方案》，到2027年，工业、农业、医疗等领域设备投资规模较2023年增长25%以上。据有关机构测算，我国工业、农业等重点领域设备更新每年需求在5万亿元以上，再加上回收循环利用产业，市场空间巨大。与此同时，中央投资、中央财政资金等对大规模设备更新和消费品以旧换新资金支持力度和细化政策利好将持续“刷新”。“我们将通过财政资金的激励和引导，进一步激发企业设备更新和消费者以旧换新的积极性，推动政府和市场协同发力，打好政策的组合拳。”王宇说。有专家建议，强化财政与金融政策联动，实施新一轮中央财政贷款贴息政策，并与中国人民银行相关再贷款政策做好联动，推进金融机构继续加大对重点领域企业设备更新和技术改造贷款力度。山东省发展改革委副主任孙来斌近日表示：“用好技改专项资金，将钢铁、石化、机械等重点行业生产、用能、发输配电设备更新改造纳入支持范围，通过股权投资支持重点行业技术改造；对交通领域设备更新、农机报废更新、老旧小区设施改造、村卫生室改造、文旅和教育领域设备升级等分别制定支持政策。”

扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscope 缩写为STM。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。1亿倍分辨率与再次超越早在2018年，康奈尔大学的研究人员制造了一款高性能的STM隧道扫描探测器，与最新算法驱动的所谓的typchography相结合，将最先进的电子显微镜的分辨率提高了三倍，达到1亿倍的放大率创造了世界纪录。但是尽管取得了这样的成功，但这种方法有一个弱点。它仅适用于几个原子厚的超薄样品。任何较厚的物质都会导致电子以无法解开的方式散射而无法成像。近日，由大卫穆勒（Samuel B. Eckert）的工程学教授再次领导的一个团队利用电子显微镜像素阵列检测器（EMPAD）结合了更复杂的3D重建算法，将自己在2018年创造的记录又提高了两倍。成像分辨率是如此精微，剩下的唯一模糊是原子本身的热抖动！最新放大一亿倍的原子图像“这不仅创造了新纪录，”穆勒说。“已经达到了一种有效地成为分辨率极限的机制。我们现在基本上可以很容易地弄清楚原子的位置。这为我们想要的事物开辟了许多新的测量可能性它可以解决很长一段时间的问题-消除光束在样品中的多重散射（Hans Bethe在1928年提出），这是我们过去无法很好解决的问题。”气相色谱法的工作原理是扫描材料样品中重叠的散射图案，并寻找重叠区域中的变化。穆勒说：“我们正在追寻图案的光点，这很像你的宠物猫对激光笔的光点着迷一样！” “通过查看图案的变化，我们能够计算出引起图案的物体的形状。”检测器略微散焦，使光束模糊，以捕获最大范围的数据。然后，通过复杂的算法重建该数据，从而获得具有皮米（万亿分之一米）精度的超高精度图像。“通过这些新算法，我们现在能够校正显微镜的所有模糊，以至于我们剩下的最大模糊因子是原子本身会振动的事实，因为这是原子在绝对零度之上就会发生的情况”，穆勒说。“当我们谈论温度的高低时，我们实际上是在测量的是原子振动多少的平均强度。”左侧的扫描透射电子显微镜通过样品发射窄束电子，来回扫描以产生图像。右侧的像素阵列检测器读取着陆点，并从该着陆点读取每个电子的散射角，从而提供有关样品原子结构的信息。研究人员可能通过使用一种由较重的原子组成的材料（其振动较少）或冷却样品来再次刷新他们的记录。但是即使在绝对零度下，原子仍然具有量子涨落，因此改善不会很大。这种最新形式的电子谱图分析技术使科学家可以在其他三个成像方法中隐藏单个原子的情况下，在所有三个维度上定位单个原子。研究人员还将能够一次发现异常结构中的杂质原子，并对它们及其振动进行成像。这对成像半导体，催化剂和量子材料（包括用于量子计算的那些材料）以及分析将材料连接在一起的边界处的原子特别有用。这种成像方法也可以应用于厚厚的生物细胞或组织，甚至可以应用于大脑中的突触连接，穆勒称之为“按需连接基因组学”。尽管该方法既耗时又计算量大，但可以使用功能更强大的计算机结合机器学习和更快的检测器来使其效率更高。“我们希望将其应用到我们所做的一切中，”穆勒说，他是康奈尔大学纳米科学部Kavli研究所的共同负责人，并且是康奈尔大学激进协作计划的一部分，纳米科学与微系统工程（NEXT Nano）工作组的联合主席。“直到现在，我们所有人都一直戴着非常糟糕的眼镜。现在我们实际上已经拥有了一副非常好的眼镜。为什么您不想要摘下旧眼镜，戴上新眼镜并一直使用呢？ ”