DisplayPort技術解説

DisplayPortとは何ですか？

2003 年後半、主要な PC、グラフィックス、および半導体企業のグループが集まり、インターフェースに対する将来の需要に対応し、ディスプレイのコストと複雑さを軽減するための新しいデジタル ディスプレイ インターフェース規格を計画しました。目標は、外部デスクトップ モニターと内部ディスプレイ インターフェイスの両方に適した、オープン スタンダード ベースのロイヤリティ フリーで拡張可能なインターフェイスを開発し、2006 年に製品に実装できるようにすることでした。

このグループは、PC、ワークステーション、家電業界向けの業界全体のインターフェイス規格をサポートおよび設定する国際的な非営利団体である Video Electronics Standard Association (VESA) の始まりです。

新しいインターフェイスは、PC と外部ディスプレイ間で使用される独自のデジタル ビジュアル インターフェイス (DVI) に置き換えられます。このインターフェイスは更新できず、物理的、機能的、およびコスト上の制限があり、将来のニーズへの適合性が妨げられていました。DisplayPort 規格は、内部および外部ディスプレイ接続に共通のインターフェイス アプローチを可能にする高帯域幅の双方向ディスプレイ インターコネクトを指定します。DisplayPort インターフェイスには、オプションのオーディオ機能があります。
この規格は、他のインターフェイス テクノロジに伴う制限なしに、PC 業界の現在および将来のニーズを満たすオープンで拡張可能なロイヤリティ フリーの仕様を提供します。

DisplayPortバージョン

第 1 世代の DisplayPort は、他のディスプレイ インターフェイスが匹敵することのない 10.8Gbps を超える生の帯域幅を提供しました。。DisplayPort は、非常に長い非アクティブ ケーブル、コネクタ用のオプションのラッチ設計、およびオーディオ サポートもサポートしていました。さらに、DisplayPort を使用すると、スペクトラム拡散クロッキングを有効にして EMI を低減でき、GPU などのソース デバイスをデュアルモードで動作させることができます。
後者は、同じコネクタで TMDS 信号を転送し、安価なレベル シフト アダプタを使用して DVI および HDMI 出力をサポートできるため、価値があります。

DisplayPort 1.1 のデータ リンク レートは、接続されたディスプレイ デバイスのタイミングに関係なく、レーンあたり 1.62Gbps またはレーンあたり 2.7Gbps に固定されます。この設計では、GPU 内のディスプレイ パイプラインと同数の DisplayPort ストリームを駆動するために、単一の基準クロック ソースのみが必要です。

対照的に、DVI と HDMI は両方とも、表示タイミングごとに専用のクロック ソースを必要とします。この独自の DisplayPort 機能により、最も効率的なマルチディスプレイ設計が可能になり、AMD Eyefinity マルチディスプレイ技術を補完します。2010 年の初めに、DisplayPort 1.2 仕様が VESA によって確認されました。この規格の新しいリビジョンでは、10.8Gbps から 21.6Gbps までのさらに高い帯域幅の高ビット レート オーディオやマルチ ストリーム機能など、新しいエキサイティングな機能のサポートが追加されています。

2014 年の最後の四半期に DisplayPort 1.3 が承認され、新しい HBR3 モードにより帯域幅がバージョン 1.2 の HBR2 の 5.4 Gbps から 1 レーンあたり 8.1 Gbps に増加し、32.4 Gbps に増加しました。

2016 年 3 月に DisplayPort 1.4 が公開され、引き続き HBR3 モードを使用しますが、Display Stream Compression 1.2 (DSC) のサポートが追加され、次世代の DisplayPort ではリンク レートが 8.1 Gbps から 10 Gbps に向上し、合計帯域幅が 32.4 Gbps から 40 Gbps に増加します。

バージョン2.0
2019 年 6 月に導入されたDisplayPort 2.0 は、以前のバージョンの DisplayPort と比較してデータ帯域幅のパフォーマンスが最大 3 倍向上し、ディスプレイの将来のパフォーマンス要件に対応するための新しい機能を提供します。これらには、8Kを超える解像度、より高いリフレッシュレート、高解像度での高ダイナミックレンジ（HDR）サポート、複数ディスプレイ設定のサポート向上、拡張現実/仮想現実（AR/VR）ディスプレイにおけるユーザーエクスペリエンスの改善が含まれており、4K以上のVR解像度に対するサポートも提供されています。USB4 と共有される非常に効率的な 128b/132b チャネル コーディングを特徴として、 DisplayPort 2.0は4レーンを通して最大77.37 Gbps（レーンあたり最大19.34 Gbps）のペイロードを提供します。これにより、フルカラー30 bpp 4:4:4 HDR解像度で圧縮されていない8K（7680×4320）ディスプレイの60Hzリフレッシュレートや、圧縮された30 bpp 4:4:4 HDR解像度での16K（15360×8640）60Hzディスプレイなど、超高性能ディスプレイ設定がサポートされます。DisplayPort Alt Mode 2.0のリリースにより、これらの高性能ビデオ機能はUSBエコシステムでも利用可能になりました。

バージョン、仕様、規格について

第 1 世代の DisplayPort™ バージョンは、2006 年にリリースされたバージョン 1.0 から始まりましたが、これは商用製品にはほとんど実装されていませんでした。DisplayPort™ の最新規格は 2.1 バージョンです。最大 80 Gbps の帯域幅を提供して、最大 16K のディスプレイ解像度の最も高い要求に対応します。

ここで注目すべき最も重要なことは、生の帯域幅です。DisplayPort™の現在のバージョン– 1.2、1.3 & 1.4 – は、最大 32.4 Gbpsの帯域幅 – またはオーバーヘッド後 25.9 Gbps – を提供します – これは、標準の1670 万色 (24 ビット) 4K120Hz ディスプレイには十分な値です。
10 億以上のカラー (30 ビット) ディスプレイ (オーバーヘッドは、さまざまなアルゴリズムを使用してデータ ストリームをエンコードまたはデコードする効率です)。
これは生帯域幅の圧倒的な増加で、バージョン 1.3/1.4 のほぼ 2.5 倍ですが、次世代の 8K や新しい 16K ディスプレイにはまだ十分ではありません。その結果、より多くのディスプレイ インターフェイス帯域幅の必要性が高まり続けています。

バージョン 2.0の改善点を詳しく見てみると、より効率的なコーディング スキームが導入され、コーディング オーバーヘッドが大幅に削減されました。その結果、2.0 規格の実効帯域幅は77.4 Gbpsでピークに達します。これは、使用可能な帯域幅のほぼすべてとなります。

DisplayPort 2.0の内部
Thunderbolt 3、UHBR、など。
DisplayPort™2.0 物理層の技術的側面をもう少し深く掘り下げます。次世代の高帯域幅外部インターフェイスの開発は、世代を重ねるごとに難しくなり、費用もかさみます。同時に、物理 DisplayPort は本来、DisplayPort 2.0 がプッシュする帯域幅の量に合わせてスケールアップするようには設計されていませんでした。

最終結果は、興味深い妥協案であり、重要なことに、既存の DisplayPort 製品との後方互換性を維持しながら、より多くの帯域幅を提供するものです. DisplayPort 自体は残ります。DisplayPortとUSB-C コネクタ(DP alt モード経由) はどちらも、新しいDisplayPort 2.0 規格の公式ポートです。このため、ピン数とその結果生じる高速データ レーンも変更されず、DisplayPortは 引き続き4 レーンで動作します。最後に、DisplayPort 2.0 規格は、通信に対するこのテクノロジーのパケットベースのアプローチが維持されています。つまり、ピクセル中心のピクセル クロック アプローチとは対照的に、画像データは固定帯域幅リンクを介してパケットとして送信され続けます。

では、DisplayPort 2.0 を有効にするために何が変更されたのでしょうか?
名ばかりの DisplayPort 自体はそのままですが、残りの物理層はほぼ完全に Thunderbolt 3 に置き換えられました。

DisplayPort 2.0 のために、VESA はホイールの再発明を試みるのではなく、インテルの既存の Thunderbolt 3 テクノロジーを利用することを決定しました。Thunderbolt 3は、VESA が求めていたデータ レートにすでに達しています。当初は Intel 独自のテクノロジーでしたが、Intel はこのテクノロジーを 2019 年初頭にロイヤリティ フリーの標準としてより幅広い業界にリリースしました。

これにより、サードパーティは純粋な Thunderbolt 3 デバイスを作成できるだけでなく、Thunderbolt 3 テクノロジーを他の規格に転用することも可能になりました。そのため、USB4 は Thunderbolt 3 のより単純な再ブランド化ですが、DisplayPort 2.0 は本質的に一方向の Thunderbolt 3 接続を作成することにより、別の方向に進みます。

注）「ホイールの発明」とは、自動車などに使われるホイールの概念を考え出したことを指します。このフレーズは、新しいものを開発するときに、前に存在したものを再利用することが大切であるという意味で使われます。例えば、新しい技術を開発する代わりに既存の技術を改良することがより効率的であるということを意味します。

内部で
Thunderbolt 3 は DisplayPort とほぼ同じように動作し、4 つの各高速レーンで情報のパケットを20 Gbpsで伝送します。ただし、TB3 は、各方向に 2 つのレーンが割り当てられた真の双方向の全二重リンクですが、DisplayPort は大量のデータを一方向のみに送信することに重点を置いています。その結果、DisplayPort 2.0は 2 つのインバウンド レーンをアウトバウンド レーンに反転させ、合計 4 つのレーンを 1 つの80 Gbpsリンクに結合できるようにします。

Thunderbolt 3 テクノロジーへの移行は、DisplayPort が Thunderbolt 3 の信号エンコード方式を継承することも意味します。DisplayPort 1.x は常に比較的非効率的な 8/10b エンコーディングを使用しており、結果として 20% のオーバーヘッドが発生していましたが、 DisplayPort 2.0 は 128/132b エンコーディングを提供し、オーバーヘッドはわずか 3% です。これが、 DisplayPort 2.0の実際の帯域幅の増加が単なる帯域幅の増加以上のものである理由です。規格は帯域幅を増やすだけでなく、より効率的に使用します。したがって、DisplayPort 2.0 は最高のデータ レートで77.37 Gbps の帯域幅を提供できます。

しかし、ケーブルはどうですか？
ここで、VESA とユーザーの両方にとって、少し複雑になります。Thunderbolt 3 は、銅線ケーブルの限界を押し上げました。その結果、最短の配線を除くすべてのケーブルで、ケーブルの両端にトランシーバーを備えたアクティブなケーブル接続が必要になりました。効果的ではありますが、これにより、Thunderbolt 3 ケーブルのコストが、比較的低コストのすべて銅製のコモディティ USB 3 および DisplayPort 1.x ケーブルよりも高くなりました。新しい規格の基礎として Thunderbolt 3 を使用することにより、VESA は規格のケーブル技術の制限も継承しました。

ケーブルの質問に対する答えは、VESA が実際には答えていないということです。代わりに、彼らはパッシブケーブルで今何ができるかに焦点を当てています。

DisplayPort 2.0 は、実際には 1 つではなく3 つの新しいデータ レートを導入します。レーンあたり 10 Gbps、レーンあたり 13.5 Gbps、レーンあたり 20 Gbps です。超高ビットレート（UHBR）と呼ばれるこれらのレートについて、VESAは現在、独立したモニター向けにレーンあたり10 Gbps（UHBR 10）に焦点を当てており、これにより合計で40 Gbpsの帯域幅が提供されます。

フルファット（最大）の DisplayPort 2.0 (および Thunderbolt 3) の半分のデータ レートである UHBR 10 は、標準のパッシブ銅線ケーブルで動作するのに十分な回復力を備えており、ケーブルは 2 ～ 3 メートルに達しても問題はほとんどありません。VESA は実際にこれを準備しており、UHBR 10 は以前に開始された DisplayPort 8K ケーブル認定プログラムと一致しています。8K 認定ケーブルは、UHBR 10 のシグナル インテグリティ要件を満たすことができます。

前方誤り訂正 (FEC) は、ディスプレイ ストリーム圧縮 (DSC) 標準の一部として DisplayPort 1.4 に導入され、現在では DisplayPort 2.0 の中核部分となっています。そのため、2.0 リンクでは、FEC が常に使用されます。これは、これらの高速インターフェイスにエラーのない方法で常にデータを送信させるという課題を反映しています。

DisplayPort 2.0 の機能: 必須の DSC、ブランチ デバイス、およびパネル リプレイ

DisplayPort 2.0 デバイスでは、ディスプレイ ストリーム圧縮のサポートが必須になりました。以前に DisplayPort 1.4 の一部として導入されましたが、実際に完全に完成したのはその数年後でした。 DSC は、グループの「視覚的にロスレス」画像圧縮の規格です。小さなピクセルグループで動作する DSC は、視覚的なアーティファクトを発生させたり、大幅な遅延を追加したりすることなく、電力と帯域幅を節約するのに十分なだけ画像を圧縮することを目的として、約 3:1 の圧縮率を提供します。

いずれにしても、DisplayPort 2.0 以降、DSC は DisplayPort 標準の中核部分になりました。明確にしておきますが、2.0 デバイスは DSC を使用する必要はありません。帯域幅が許せば非圧縮画像が優先されるのは明らかです。ただし、2.0 デバイスは DSC 圧縮データをエンコード、渡し、デコードできる必要があります。これにより、メーカーはすべての 2.0 デバイスでモニターを駆動できることを認識してモニターを販売できるようになるため、時間の経過とともに、DSC を必要とするモニターを (少なくとも特定のモードでは) 開発およびリリースするための基礎が築かれることになります。

パネルリプレイ
効率に関していえば、DisplayPort 2.0 標準では、電力効率に重点を置いた別のベンダー オプション機能も導入されています。それがパネル リプレイです。組み込み DisplayPort 標準の一部である以前の Panel Self Refresh テクノロジーから派生した Panel Replay は、システムが前のビデオ フレーム以降に変更された画像の部分のみを送信および更新できるようにする部分的な自己更新メカニズムです。eDP の PSR と同様に、この機能は主にラップトップやその他のモバイル デバイスを対象としており、電力消費とその結果としてのバッテリー ランタイムへの影響が重要な特性となります。データの転送量を減らすことは、ビットを運ぶのに必要なエネルギー量だけでなく、ディスプレイコントローラーで必要とされる処理量も減少させます。

最後になりましたが、DisplayPort 2.0 は、規格での「ブランチ デバイス」の動作方法も更新しています。基本的に、マルチ ストリーム トランスポート セットアップのスプリッタであるDisplayPort 1.x では、ブランチ デバイスが DisplayPort ビットストリームをデコードできる必要がありましたが、これは20 Gbps以上 のデータでは簡単なことではありません。代わりに、2.0 では、ブランチ デバイスが一部簡素化され、データをデコードする必要がなくなり、データを転送できるだけで済むようになります。これにより、ブランチ デバイスをそれほど複雑にする必要がなくなるため、MST (およびデイジー チェーン)の実装が全体的に少し簡単になります。

最後に、今日の仕様リリースに先立って、DisplayPort での可変リフレッシュ サポートの状態についても尋ねました。VESA Adaptive Sync は、DisplayPort 1.x のモニターのオプション機能であり、DisplayPort 2.0 でもそのままです。そのため、メーカーは引き続きモニターの便利な機能として追加できますが、必須にする予定はありません。

DisplayPort 規格の最新バージョンは、2007 年に開始されて以来、PC ディスプレイ規格に対する最大のアップデートです。VESA は、DisplayPort 物理層を Thunderbolt 3 に置き換えることで、DisplayPort の帯域幅の可能性を大幅に高め、 8K モニター以降 の基盤を築きました。

最新の DisplayPort 仕様により、USB Type-CおよびUSB4との整合性が向上します。USB4 を介したより効率的な DisplayPort トンネリングのための新機能を追加します。

DisplayPortデータ帯域幅の進化

 

オレゴン州ビーバートン – 2022 年 10 月 17 日– Video Electronics Standards Association (VESA®) は本日、DisplayPort 仕様の最新バージョンである DisplayPort 2.1 をリリースしたことを発表しました。 2.0)。VESA はメンバー企業と緊密に協力して、DisplayPort 2.0 をサポートする製品が、より新しく、より要求の厳しい DisplayPort 2.1 仕様に実際に適合するようにしています。この取り組みにより、GPU、ドッキング ステーション チップ、モニター スカラー チップ、リタイマーなどの PHY リピーター チップ、またはDP40/DP80など、UHBR (超高ビット レート) 対応製品を含む、以前に認定されたすべての DisplayPort 2.0 製品ケーブル (パッシブとアクティブの両方を含み、フルサイズの DisplayPort、Mini DisplayPort、または USB Type-C コネクタを使用) – は、より厳格な DisplayPort 2.1 仕様にすでに認定されています。

VESA の詳細については、http: //www.vesa.org/ をご覧ください。

ディスプレイポート 2.1

v2.1の主な変更点は、2つの異なる速度、DP40とDP80のより良い理解を持つことです。DisplayPort 2.1は、DisplayPortケーブルの仕様も更新し、改良されたフルサイズおよびミニDisplayPortケーブル設定の強化と堅牢性の向上を実現しています。これにより、DP40ケーブルは2メートル以上、DP80ケーブルは1メートル以上の長さで、UHBR性能を損なうことなく改善された接続性を提供します。VESA認証のDP40ケーブルは、4レーンを持ち、UHBR10リンクレート（10 Gbps）までをサポートし、最大40 Gbpsのスループットを提供します。一方、VESA認証のDP80ケーブルは、4レーンを持ち、UHBR20リンクレート（20 Gbps）までをサポートし、最大80 Gbpsのスループットを提供します。 より高速な速度（読み取り周波数）のため、クロストークやジッターを防ぐためにDisplayPortコネクタ（ミニDPおよびDP両方）の物理的レイアウトを調整する必要がありました。これらの変更は、これらのコネクタの現在のピンレイアウトと物理的寸法に対応するために行われました。。

堅牢なエンドツーエンドのユーザー視覚体験を実現することは、VESAのDisplayPort仕様にとって最優先事項であり、ネイティブDisplayPortケーブル、DisplayPort Alt Mode（USB Type-Cコネクタ上のDisplayPort）、またはUSB4リンクを介してトンネルする場合に関係なく維持されています。そのため、DisplayPort 2.1は、USB Type-C仕様およびUSB4 PHY仕様との整合性を強化し、DisplayPortおよびUSB4の両方に共通のPHYを提供することを容易にしています。さらに、DisplayPort 2.1は、USB4リンク上でのDisplayPortトンネリングが他のI/Oデータトラフィックと効率的に共存するための新しいDisplayPort帯域幅管理機能を追加しました。この効率の向上は、VESAの視覚的に損失のないDisplay Stream Compression（DSC）コーデックとVESAのPanel Replay機能のサポートを義務付けられた上でのものです。DSCビットストリームのサポートは、視覚的なアーティファクトなしにDisplayPort輸送帯域幅を67％以上削減することができ、VESAのPanel Replay機能は、Panel Replay操作が行われている場合にDisplayPortトンネリングパケット輸送帯域幅を99％以上削減することができます。

DisplayPort ビデオ インターフェイスの高度な機能は、エレクトロニクス エコシステム全体から 300 を超える VESA メンバー企業による貴重な貢献によって実現されています。

 

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