超高画質8Kテレビをサポートする半導体、サムスン電子S.LSI事業部の開発ストーリー

▲(左から)8Kテレビの中のIC開発に参加したサムスン電子のキム・サンドク、ソン・ハンス、イム・ジョンヒョン、ソン・ヨンジュ

高画質テレビの進化が進むにつれ、画面の中の世界とユーザーとの距離感が縮まっている。 プレミアムテレビの新たな基準を示した8Kテレビは、まるで目の前にそれがあるかのようなリアルさで、ユーザーの没入感を高めた。 ここまで鮮明な高解像度テレビが可能になったのは、内蔵されたDTV SoC(Digital TV System on Chip)、T-CON(Timing Controller)、DDI(Display Driver IC)などの半導体が機能の向上をサポートしているからだ。 8ナノ(nm、ナノメートル)DTV SoCの幕開けとなった「S6HD820」、業界初の8K 120Hz T-CONである「S6TST21」、最高速度8GbpsのDDI「S6CT9BC」のそれぞれの開発者をSamsung Newsroomがインタビューし、イノベーションの誕生秘話を聞いた。 DTV SoCからDDIまで、映像信号がディスプレイに届くまでの過程 放送視聴の機能だけを担っていた過去とは違い、テレビの役割は時代の移り変わりと共に拡大している。 インターネットやアプリケーションと結びつくことで、ゲームや運動などが楽しめるホームエンターテインメントの主役に変化している。 テレビに幅広い機能が求められるにつれ、ユーザーが期待するプレミアム性能のレベルも高くなっている。 テレビはそもそもコンテンツを外部に送る「出力装置」なので、画像がユーザーの満足度を左右する。 映像データがディスプレイに到達するまで、デジタル信号は大きく3つのプロセスを経る。 まず、DTV SoCが放送やインターネットからデジタル圧縮データを受信した後、その圧縮を解凍して放送映像データに戻し、画質および音声を処理して画面とスピーカーに配信する。 T-CONは処理された映像データを受け取ってDDIに送る役割をしていて、多数のDDIがタイムラグなく動作できるように、DDIごとにデータを分配して時間に合わせて出力する。 最後に、DDIが受信したデジタル信号をアナログに変更すれば、ユーザーが見るディスプレイ画面に表示される。 「ワンチップ」でより簡単になったDTV SoC、さらに向上したNPU機能 ケーブルやセットトップボックスから映像データを受信するDTV SoCは、「TVの頭脳」とも呼ばれる。 DTV SoCの開発を担当したソン・ハンス氏は「DTV SoCは映像データから音声と映像信号をそれぞれ抽出し、各場面に合う映像と音響データに調整する機能を提供する」と説明した。

テレビの画質が4Kから8Kに進化するなか、DTV SoCの役割は一層重要になっている。 開発者たちは、8K解像度の画面をサポートすると同時に、電力を下げるためのソリューションを探求した。 DTV SoCに性能が向上したNPU(Neural Processing Unit)を搭載し、人工知能(AI)設計技術が全般的な画質改善や音響処理に対応できるように、優れた機能を提供した。 この技術によって、一層繊細な画面が出力できるようになった。 また、それまで分離していたDTV SoCとアップスケーリングICを一つのチップに統合し、低電力の効率性を実現した。 ※アップスケーリングIC: 解像度の低い映像を高い解像度に変換する半導体(2Kまたは4K映像を8K映像に変換) 8ナノDTV SoC「S6HD820」の誕生に至る最大の難関は、2つのICを1つのチップにする過程での設計の複雑さと、それに伴う発熱だった。 ソン・ハンス氏は、「NPUの性能が上がるほど人工知能の学習を強化でき、テレビの性能も向上する。 ただその分、半導体の設計が複雑になり、発熱もひどくなる」と述べ、「過度の発熱を防ぐために、性能と複雑さの妥協点を見出す努力を続け、最適化に成功した」と説明した。 60Hzのチップ2つを120Hzのチップ1つに、T-CONの進化 T-CONは、DTV SoCから送られた映像データをDDIが求める時間とデータ順に変換して配信する役割を果たす。 T-CONの開発に参加したイム・ジョンヒョン氏は「パネルサイズと解像度が大きいほどT-CONの役割がより重要になる」とし、「解像度の高い映像データをDDIに速く送るためには、T-CONのデータ転送速度も重要」と説明した。

4Kから8Kへと進化し、画面の解像度は従来より4倍も高くなった。 転送するデータ量も4倍に増えるので、T-CONの速度もその分、向上させなければならない。 開発チームは、急激な速度上昇に伴い発生する発熱現象を、最先端プロセスの適用とチップの簡素化で解決し、従来の8K 60Hzのチップ2つを8K 120HzのチップであるS6TST21の1つに統合した。 既存のシステムでは、DTV SoCと8K専用のアップスケーリングIC、T-CON 2つを含めて、8Kテレビの駆動に必要な半導体は計4つだったが、新たに開発されたシステムでは、DTV SoCと8K専用のアップスケーリングを1つに、T-CON2つを1つに合わせるなど、半導体の数が計2つに減った。 これにより、テレビボードの設計が容易になった。 DDIの集積化で速度はUP、チップ数はDOWN ディスプレイに表示される前の最後の段階がDDIである。 T-CONから受信したデジタルデータをディスプレイに入力されるアナログ信号に変換する地点である。 DDIの開発に参加したソン・ヨンジュ氏は、「DDIはT-CONで受け取った映像データを正確に表現するために、高いアナログ電圧を迅速かつ正確にパネルに伝えなければならない」と述べた。

電圧を素早く上げるには、高い出力電圧を持ちながらも発熱の問題がない新たな駆動回路が必要だった。 ソン・ヨンジュ氏はさらに「駆動バッファの速度を上げるのが最も難しい課題だった」と述べ、「駆動回路の入出力の遅延を短くするために、回路の構造やレイアウトを何度も変更した末に、高速動作が可能な新しい駆動回路を開発することができた」と説明した。 高速で動くDDIの開発によって、8Kテレビに適用されるDDIの数が半分に減り、半導体の数も数十個減ることになったので、テレビパネルの製作が容易になった。 独自のインターフェース、有機的な半導体開発…技術をリードする秘訣 4Kに続き8Kテレビまで、サムスン電子が技術面でリーダーシップを発揮できる秘訣は、長い間積み重ねてきたノウハウと顧客との信頼関係にある。 また、市場と技術トレンドにも常にアンテナを張りめぐらせ、反映してきた。そこには独自のインターフェースが大きな役割を果たした。 キム・サンドク氏は、「インターフェースは速度だけでなく半導体の駆動技術も含んでいる」とし、「サムスン電子は独自のインターフェースを採用したおかげで、業界最高速度のインターフェースを基盤にした8Kテレビ用DDIを作ることができた」と述べた。

DTV SoC、T-CON、DDIをすべて自社で開発していることもサムスン電子の強みだ。 3つの半導体は機能が連携しているため、開発の過程で技術的なコミュニケーションが必要だからだ。

サムスン電子S.LSI事業部の開発者たちは、8Kテレビや半導体の今後の変化への期待感を隠さなかった。 ソン・ヨンジュ氏は、「初めて半導体の開発業務に携わってフルHD解像度のテレビに搭載する半導体を作り、製品が無事に量産できたときは胸がいっぱいになった。 気がつけばテレビの解像度は4Kを超え8Kになり、テレビ画面はますます大きくなっている。 高解像度/大画面テレビへの変化と共に、半導体に求められる機能は増えていき、開発の難易度も急激に上がった。 この先のテレビ用半導体の開発にも、越えるべき山はいくつもあるだろうが、その山を越えることこそが私たち開発者の目標」と抱負を語った。