可穿戴设备有哪些图形内存需求？

作者: Reuben George

高清媒体消费正在经历双重增长，一是消费者数量的增加，二是向更加高清的内容过渡。增长动力来自日益普及、速度越来越快的互联网接入服务以及移动设备（手机、平板电脑、可穿戴设备等）的爆炸式增长。因此，当今的很多可穿戴设备都能处理高清媒体的消费。

即使按照最保守的估计，到2020年，市场对物联网（IoT） 和可穿戴设备的需求将增长三倍。这意味着全球将有500亿件设备。这将催生对新一代显示器驱动器和帧缓冲器（一种与传统显示器中所使用的内存不同的内存）的需求。虽然嵌入式RAM能够满足初代可穿戴设备的需要，但当今的高清和大型可穿戴显示器需要大得多的帧缓冲内存。这些要求不同于传统的PC和电视显示器，因为它们使用电池供电，能效是主要的设计约束条件。大多数最新的可穿戴设备将具备极高的空间效率和能效，以至于它们将能在充满电后连续工作数天甚至数周，同时还能完成各种复杂的操作。这就是我们为何需要新一代显示驱动器的原因所在。

为了了解可穿戴设备的帧缓冲器要求，让我们首先研究一下图形系统的架构。每一个图形系统都由三个组件构成：硬件、图形库和一个使用它的应用。

图形库和应用由软件控制，而硬件则由一个帧缓冲器控制，后者是一个连续高吞吐量内存。帧缓冲器中的每一个存储单元对应屏幕上的一个像素。像素强度由其电压决定。

显示器的分辨率由以下因素决定：

扫描行数
每行的像素数
每个像素的位数
以1024x768 24位图像为例，它是PC最常用的屏幕分辨率。
1024 X 768 X 24 = 18.9Mb

这是帧缓冲器支持这种显示器所需的最小容量。尽管如此，如果它是一个具备视频功能的动态显示器，仅有一个这样容量的内存还不够。这给帧缓冲器提出了吞吐量要求。

对于上述分辨率下的一个每秒30帧（fps）的视频而言，最大吞吐量是：18.9 x 30 = 566Mbps。

如上所述，帧缓冲器中的每一个存储单元对应屏幕上的一个像素。对于一个n位彩色显示器而言，n位中的每一位是一个单独的位平面（例如，24位色有24个位平面）。N个存储单元将存储每个像素的状态，来自每个n位平面的二进制值被加载到存储器中的对应位置。最终的二进制数被诠释为0到2n – 1之间的一个强度值，然后被一个数模转换器转换为一个0到最大电压之间的模拟电压值，从而实现2n种强度。

两个因素决定了显示器所使用的帧缓冲器类型：容量和吞吐量。增加图像的分辨率需要更大的内存，而增加视频的fps需要更高的吞吐量。有两种方法满足这个要求：增加帧缓冲器的容量和吞吐量，或者通过增加帧缓冲器的容量降低吞吐量（例如，将前者增加一倍，将后者减半）。通过增加帧缓冲器的容量（通常是在一个芯片中集成多个帧缓冲器），我们能够降低吞吐量，因为芯片必需经历的输入－输出周期减少了。例如，将容量增加一倍后，两个帧可被同时存储在一个缓冲器中，这意味着给定时间内该缓冲器被调用/引用的次数减少了一半，因此实现了较低的吞吐量。因此，内存分为两类：高密度和高吞吐量。这方面的内容将在本文稍后讨论。

仔细观察Nvidia和AMD的最新一代计算机图形处理器（GPU）的规格后，我们发现内存容量大幅增加，通常达到数个GB。这是因为大多数现代GPU是为游戏和高清渲染应用而设计的，此外还有很多占用内存空间的额外功能：MSAA（使用采样频率成倍增加缓冲器的容量）、预取、影子缓冲器、延迟渲染和特效。即使窗口滚动等我们习以为常的功能也需要占用额外的缓冲空间。大多数游戏缓冲器采用三重缓冲（每个帧使用三个缓冲器）和HDR（正常的HDR深度是64位，而非24位）。很多这些高端GPU还支持多个高清显示器，这意味着为每个显示器内置一个专用缓冲器。

但是，由于它们的显示器较小，大多数可穿戴设备和便携设备还不需要这些功能。理想的方法是将MCU的嵌入式内存资源用作帧缓冲器。它将拥有最高的吞吐量，而且最容易实现。但是，对于可穿戴设备中的新一代显示器而言，大多数MCU的内存还不够。此外，日益增高的程序复杂性要求将更大的嵌入式内存用作MCU的一级高速缓存。对于大多数当代可穿戴设备而言，显示器的分辨率为QVGA（Quarter Video Graphics Array－四分之一视频图形阵列），而对于这些显示器而言，以下规格将够用：24位| 480*360 | 30fps。对于可穿戴设备的显示器而言，它们意味着每英寸像素数（ppi）达到300个。这种显示器对内存的要求是吞吐量为120 Mbps的4Mb内存。但是， 未来的设备将配备分辨率高得多的显示器，超过400 ppi，与众多最新一代的手机相当。对于尺寸相同的显示器而言，日益增高的ppi意味着帧缓冲器的容量也要相应增加。如上所述，有两种方法实现这个容量的帧缓冲器：吞吐量约为120 Mbps 的4Mb缓冲器或吞吐量约为30Mbps的16Mb缓冲器。在这两种方法中，小容量缓冲器具备众多好处－尺寸更小（芯片或CSP）、功耗更低、成本更低、选择更多（随着容量密度越来越大，厂商和产品种类会越来越少）。对于可穿戴设备而言，尺寸、功耗和成本是所有设备组件的最重要的决定因素。

应用最广泛的帧缓冲内存是动态RAM（DRAM），虽然常见的最高性能的内存是静态RAM（SRAM）。DRAM的功耗高于SRAM，吞吐量低于后者。虽然SRAM的性能极高，是最新一代便携设备的理想选择，但大多数电池支持型设备并未使用它们，这是因为SRAM的产品种类较少，仅有低密度产品，最大128Mb。SRAM存储单元的结构较复杂，由6个晶体管构成，而DRAM存储单元由1个晶体管 + 1个电容器构成。这就是SRAM在增加密度上受限的原因所在，而这已经被证明是其最大的局限性。虽然SRAM因这个局限性未被应用于传统的消费电子设备（PC、电视、手机等），但考虑到可穿戴设备所需的帧缓冲内存容量较小，SRAM对于可穿戴设备而言并非坏事。此外，在这些设备中，较高的性能（较高的吞吐量等同于较低的功耗）也是SRAM的一大优势。

随着对高性能尤其是低功耗的需求的归来，曾被视为已绝迹的内存类型－SRAM－似乎要重振雄风。

很多领先的SRAM厂商推出了一系列创新技术，主要是为了满足可穿戴系统的需求：从更高的可靠性到新的封装形式。在高清视频录制和处理领域，赛普拉斯也有一个不同凡响的HD帧缓冲器系列。