- Màn hình E Ink 13,3 inch làm tươi 60 lần mỗi giây ở 300ppi, trở thành sản phẩm thực tế sau 4 năm phát triển bộ điều khiển, phần cứng và firmware riêng
- Các bộ điều khiển E Ink hiện có phải chờ khoảng 100ms cho mỗi lần cập nhật toàn cục, nên phải đánh đổi giữa tốc độ và độ tương phản, còn phương pháp cập nhật theo từng pixel sẽ làm mới ngay các pixel đã thay đổi
- Cập nhật theo từng pixel làm nhu cầu băng thông tăng từ 20MB/s lên 540MB/s trên màn hình đen trắng 13 inch, khiến DDR3 và DisplayPort trở thành yêu cầu bắt buộc
- Do không thể có thang độ xám không nhấp nháy, hệ thống kết hợp Bayer dithering, blue noise, error diffusion và chế độ hiển thị lai
- Thành phẩm cuối cùng là màn hình E Ink tần số quét cao có màn hình cảm ứng, đèn trước, tùy chọn màu sắc, nhiều chế độ hiển thị, cùng phần cứng, FPGA gateware và firmware mã nguồn mở
Điểm khởi đầu: từ laptop E Ink đến bộ điều khiển tự phát triển
- Màn hình E Ink 60fps hoạt động ở 300ppi, làm tươi 60 lần mỗi giây dù E Ink vốn không phải loại màn hình nổi tiếng về tốc độ
- Dự án ban đầu là một chiếc laptop E Ink, nhưng các SoC hỗ trợ E Ink khi đó được thiết kế cho máy đọc sách điện tử, nên bị ràng buộc bởi mức tiêu thụ điện thấp, bộ xử lý chậm và giao tiếp hạn chế
- Để tạo laptop, cần tách SoC và màn hình ra, rồi đặt một chip điều khiển dựa trên FPGA vào giữa để tạo thành bộ điều khiển E Ink riêng
- Thiết kế laptop ban đầu có một màn hình LCD dạng thanh hoạt động như một touch bar cỡ lớn, với giả định rằng một số tác vụ cần màn hình nhanh còn E Ink có thể chậm
- 60fps không phải mục tiêu chính lúc đầu; chỉ cần đủ nhanh cho laptop, và nếu không đạt 60fps thì 15fps cũng đã là mục tiêu chấp nhận được
Tốc độ và chất lượng đến từ cập nhật theo từng pixel
- Các bộ điều khiển E Ink truyền thống dùng bộ hẹn giờ cập nhật toàn cục, nên khi làm mới màn hình phải chờ lần cập nhật trước hoàn tất
- Một lần cập nhật truyền thống mất khoảng 100ms, nên trong trường hợp xấu nhất, hình ảnh mới có thể phải chờ 100ms trước cả khi được xử lý
- Nếu tăng tốc bộ hẹn giờ, tốc độ khung hình sẽ cao hơn, nhưng các hạt E Ink không có đủ thời gian để phản ứng nên hình ảnh trông như bị rửa trôi
- Cách tiếp cận cũ tạo ra sự đánh đổi giữa tần số quét và độ tương phản, và một số bộ điều khiển giảm nhẹ điều này bằng cách cập nhật độc lập 4 đến 16 vùng
- Cách giảm nhẹ theo vùng buộc phần mềm phải tự quản lý các vùng đó và vẫn còn nhiều giới hạn
- Phương pháp cập nhật theo từng pixel coi mọi pixel như một vùng cập nhật độc lập, nên pixel nào thay đổi sẽ bắt đầu được làm mới ngay mà không phải chờ
- Cách này cho phép đạt cả tốc độ khung hình cao lẫn độ tương phản cao, loại bỏ sự đánh đổi truyền thống giữa tốc độ và chất lượng
- Nhược điểm là băng thông bộ nhớ: trên tấm nền 13 inch khi hiển thị ảnh đen trắng, bộ điều khiển cũ cần 20MB mỗi giây còn cách này cần tới 540MB mỗi giây
- Vì yêu cầu băng thông cao, hệ thống phải dùng DDR3 thay cho SDRAM cơ bản và dùng DisplayPort thay cho USB, làm chi phí tăng lên
- Với mục đích đọc sách, cấu hình này là không cần thiết, nhưng với mục đích làm màn hình thì tạo ra khác biệt rất lớn
Chất lượng hiển thị: dithering và thang độ xám lai
- Dự án chuyển hướng sang làm một màn hình tốt trước cả laptop, rồi tiếp tục được phát triển trong thời gian rảnh suốt vài năm sau đó
- E Ink không thể tạo thang độ xám theo cách không nhấp nháy, nên dithering là bắt buộc
- Ba thuật toán dithering được triển khai là Bayer dithering, blue noise và error diffusion
- Bayer dithering nhanh nhưng tạo ra họa tiết dễ nhận thấy, blue noise cho bề ngoài tốt hơn, còn error diffusion cho chất lượng tốt nhất nhưng khó mở rộng lên độ phân giải cao
- Dithering có hiệu quả nhưng không thể vượt qua giới hạn để trở thành thang độ xám thực sự, ngoại lệ duy nhất là thang độ xám dạng nhấp nháy
- Các màn hình hiện có либо triển khai chế độ nhấp nháy chậm, либо bỏ qua hoàn toàn thang độ xám
- Cách lai sẽ chuyển sang chế độ nhị phân nhanh khi hình ảnh thay đổi, rồi khi hình ảnh ổn định một lúc sẽ render lại bằng thang độ xám
- Cách này rất hợp để đọc, nhưng kém phù hợp hơn với các mục đích khác; nhờ có bộ điều khiển riêng, hệ thống không bị bó buộc vào các chế độ cài sẵn mà có thể tối ưu theo từng trường hợp sử dụng
Các vòng lặp phần cứng và quá trình sản phẩm hóa
- Nguyên mẫu đầu tiên dùng DisplayPort kích thước đầy đủ, sau đó chuyển sang USB Type-C có hỗ trợ DisplayPort
- Khi IC quản lý nguồn tích hợp bị ngừng sản xuất, thiết kế buộc phải đổi sang các bộ chuyển đổi DC-DC rời
- Để bảo vệ màn hình khỏi các sự kiện latch-up ngoài dự kiến, bo mạch được bổ sung hệ thống giám sát đầy đủ điện áp và dòng điện
- Mỗi thay đổi đều đòi hỏi một revision PCB mới, và mỗi revision lại dẫn đến những bài học mới
- Khi bản thiết kế vỏ đầu tiên từ đối tác gia công được gửi lại, sản phẩm bắt đầu trông như một thiết bị thật thay vì một PCB lộ thiên trên bàn làm việc
- Thiết bị đã được trình diễn tại các sự kiện Hackaday Supercon, LatchUp và Teardown của Supply, và mọi người thực sự muốn nó trở thành sản phẩm thương mại
- Vì công nghệ đã hoạt động, có nhu cầu và đã có thiết kế, tác giả đã nghỉ việc để dồn lực cho cú hích cuối cùng
- Kế hoạch là tập trung vài tháng để hoàn thiện thiết kế, sản xuất và giao hàng
Thiết kế lại toàn diện, vấn đề nhà cung cấp và các tính năng cuối cùng
- Ngay sau khi chuyển sang làm toàn thời gian, E Ink công bố một tấm nền mới có độ phân giải cao hơn, thông số tốt hơn và giá thấp hơn
- Tấm nền mới có thể tạo ra sản phẩm tốt hơn, nhưng độ phân giải cao hơn đòi hỏi IC giải mã băng thông cao, bộ nhớ DDR băng thông cao, FPGA mới và nguồn cấp dòng điện lớn hơn
- Thay đổi này gần như buộc phải làm lại toàn bộ bo mạch và gây chậm ít nhất nửa năm
- Ở sản phẩm cuối, quy trình không còn là thiết kế bo mạch trước rồi chỉnh vỏ theo sau; thay vào đó, form factor được xác định trước với khung máy, kích thước chính xác và các điểm gắn, rồi bo mạch mới được thiết kế khớp theo
- Cách làm mới khiến toàn bộ thiết kế tối ưu và nhất quán hơn, nhưng cũng lại cần thêm một revision lớn nữa
- Nguyên mẫu lắp ráp hoàn chỉnh được trưng bày tại Design Shenzhen, nhưng vẫn quá thiếu ổn định để xuất xưởng vì lỗi ngẫu nhiên, đứt hình và thất bại khi khởi tạo
- Nhà cung cấp chip giải mã video từ chối hỗ trợ dù đã có NDA và hợp đồng dịch vụ, và ngay từ đầu cũng không cung cấp mã driver
- Muốn nhận mã nguồn để dùng chip còn phải trả thêm phí, nhưng đoạn mã đó không hoạt động; còn mã hoạt động được thì họ lại đòi thêm tiền
- Sau đó dự án chuyển sang nhà cung cấp khác; nhà cung cấp mới dễ hợp tác hơn nhiều, nhưng ở thời điểm khởi đầu dự án thì chưa thể mua được chip của họ
- Việc bổ sung hỗ trợ màn hình cảm ứng sau đó đòi hỏi tích hợp bộ điều khiển cảm ứng mới, viết driver và xử lý hiệu chỉnh
- Hệ thống cũng được bổ sung đèn trước không nhấp nháy, bộ giới hạn tốc độ khung hình hữu ích cho độ nét, chế độ điện năng thấp để tiết kiệm khi không có nguồn ngoài, và một giao diện hiển thị trên màn hình để điều khiển các tính năng này
- Mỗi tính năng nghe có vẻ đơn giản nếu chỉ nói trong một câu, nhưng để triển khai đúng cách đều mất hàng tuần, và thời hạn hoàn thành liên tục bị lùi
- Sau khi làm toàn thời gian, tác giả làm việc còn nhiều hơn cả khi còn đi làm, ranh giới giữa đêm và cuối tuần trở nên mờ nhạt, còn game và thời gian rảnh thì ít đi
- Khi tự mình quyết định thì có thể triển khai ngay, khi giải quyết xong vấn đề thì nó thực sự được giải quyết, và không cần thuyết phục người khác chỉ để hiện thực hóa một tính năng
- Sau 4 năm, kết quả là một màn hình 13,3 inch, tối đa 60fps, độ trễ rất thấp, có nhiều chế độ hiển thị, màn hình cảm ứng, đèn trước và tùy chọn màu sắc
- Thiết kế phần cứng, FPGA gateware và firmware đều được công bố dưới dạng mã nguồn mở, nên người dùng cũng có thể tự chế tạo
1 bình luận
Ý kiến trên Lobste.rs
Tôi đã gặp Alex tại FOSDEM năm nay và xem bản demo này, trông khá ổn
Vẫn chỉ là nguyên mẫu và phần vỏ cũng chưa hoàn thiện nên tôi chưa hoàn toàn chắc chắn, nhưng có vẻ rất triển vọng, và lần mua màn hình mực điện tử tiếp theo của tôi có lẽ sẽ là sản phẩm của modos
Tôi có bộ kit phát triển nhận từ chiến dịch Crowd Supply trước đây, ai có gì thắc mắc thì cứ hỏi
Tôi cũng muốn biết độ tương phản dưới ánh nắng mạnh ra sao, và liệu có từng gặp vấn đề gì ở phía phần mềm không
Đây thực sự là một màn hình rất tuyệt. Sẽ rất hay nếu nó được tích hợp vào laptop hay tablet, còn dùng riêng như một màn hình ngoài nhỏ thì tôi không chắc mình có dùng nhiều không
Câu mô tả “khi di chuyển, bạn có thể chạy Flow ở tối đa 40Hz chỉ với một sợi cáp USB Type-C, còn khi ở bàn làm việc thì có thể cấp thêm nguồn để tận dụng đầy đủ tần số quét 60Hz” nghe hơi lạ
Tôi không tìm thấy con số tiêu thụ điện, nhưng chỉ với một sợi cáp USB-C người ta còn có thể cấp nguồn cho cả một chiếc laptop cao cấp, nên khó tin là một màn hình đơn lẻ lại ngốn hơn thế
Màn hình desktop có đầu vào AC/DC có thể xuất PD như 60W hay 100W, nhưng laptop của tôi thì không xuất PD
Tôi có một chiếc máy ảnh chỉ sạc qua PD; laptop vẫn kết nối tốt qua USB-C nhưng không thể sạc vì nó cần khoảng 25W hoặc 30W
Tuy vậy, các màn hình di động khác trong nhà tôi vẫn hoạt động chỉ bằng USB-C từ laptop. Mực điện tử cần điện áp cao hơn 5V để xóa ô, nên ở 60Hz có vẻ phần tăng áp đó có thể khiến mức tiêu thụ điện quá cao
Điều này hơi khó tin. Theo cách tôi hiểu thì tốc độ khung hình thấp về cơ bản là giới hạn phần mềm, chứ không phải giới hạn phần cứng; vậy tại sao đến giờ nó vẫn chưa được phổ biến rộng rãi hơn?
Cũng không có nhiều lý do để trang bị bộ điều khiển đắt tiền hơn mà khách hàng không cần, và nếu điều khiển mực điện tử mạnh hơn thì tuổi thọ sẽ giảm, làm thay đổi giá trị cốt lõi của sản phẩm
Bản thân màn hình mực điện tử vốn đã đắt do chi phí bằng sáng chế và thiết kế cơ khí phức tạp. Có thể ví như việc biến một chiếc Toyota Corolla chạy được 150 dặm/giờ, nhưng phải thay đổi các thành phần bên trong phục vụ sự tiện dụng và loại bỏ một số cơ chế an toàn, trong khi các bộ phận chuyển động có thể hỏng chỉ sau đúng một vòng quay
Rốt cuộc, câu “mọi phần cứng đều là thuật toán nên bắt đầu từ phần mềm” là đúng, nhưng trong trường hợp mực điện tử, thị trường bộ điều khiển vẫn chưa bắt kịp một thị trường đã trưởng thành hàng chục năm như bộ điều khiển DVI hay VGA
Công việc của Alex là mã nguồn mở, nên tôi nghĩ chẳng bao lâu nữa sẽ có khả năng được tái tạo ở quy mô lớn vào một thời điểm nào đó
Rõ ràng là có nhu cầu đối với màn hình phản xạ có tần số quét cao và độ tương phản cao. Nhưng tôi thắc mắc vì sao đa số cách tiếp cận lại là kiểu “cố dùng hoặc chỉnh sửa giấy điện tử thông thường bằng mọi giá”
Tại sao các nhà sản xuất không làm các tấm nền LCD phản xạ từ 6 inch trở lên theo hướng như dòng Memory Display của Sharp?
Nói thêm, tôi cũng mong ngành điện tử làm ra các màn hình điện thấm mà người dùng có thể mua được