Osveževanje 1 Hz - Manj je več
Desetletja trajajoča tekma za višje frekvence osveževanja slike na zaslonu, ki nam je prinesla boljšo in očem prijaznejšo sliko, je spremenila smer. Zasloni so danes že dovolj dobri, morda celo predobri. V nekaterih primerih je koristneje sliko osvežiti manjkrat, da privarčujemo nekaj energije in iz telefona ali prenosnega računalnika iztisnemo še kakšno uro ali dve avtonomije. Pametne ure so ta nauk usvojile v prejšnjem desetletju, telefoni v tem, prenosni računalniki pa letos.
Prvi televizorji v Evropi so uporabljali standard PAL (phase alternating line) in sliko risali vsakih 20 milisekundi, kar ustreza frekvenci 50 Hz. V resnici so vsakokrat izrisali le polovico slike, in sicer vsako drugo vrstico, kar imenujemo prepleteni način, a to ta hip ni pomembno. S 50 Hz, kolikor je frekvenca omrežne napetosti in zato pripravna izbira, da smo se s tedanjo tehnologijo izognili popačitvam, smo dobili ravno dovolj visoko frekvenco, da je bila slika gledljiva, dasiravno ne brez artefaktov.
Tudi prvi zasloni s katodno cevjo (CRT) so podedovali omrežno frekvenco, kasneje pa so dražji modeli že nudili višje frekvence. Zaradi načina izrisa slike je bilo utripanje pri prenizki frekvenci teh zaslonov neznosno. S porabo energije se tedaj ni nihče ukvarjal, ker so bili energenti poceni, prenosne naprave pa znanstvena fantastika. V prenosne računalnike nihče ne bo tlačil zaslona s katodno cevjo.
Vse se je začelo spreminjati s prihodom zaslonov s tekočimi kristali (LCD), ki so jih dobili tudi prvi prenosni računalniki. Zaradi drugačnega načina izrisa slika pri LCD ne more več utripati na enak način kot pri CRT, saj ne gre za bliskanje fosfornih točk, temveč stalen vir svetlobe. Pri LCD in kasnejših izpeljankah panelov frekvenca osveževanja opisuje, kako pogosto se slika posodobi, ne pa pojavi (ključna razlika je, kaj se zgodi po izrisu), prenizka frekvenca pa je kljub temu še vedno moteča.
Frekvenca stane
Pri namiznih računalnikih je enačba preprosta – višja frekvenca osveževanja daje boljšo sliko, o porabi energije pa nihče ne razmišlja. Precej drugačna pa enačba postane v svetu prenosnih naprav, kjer vsak vat avtonomijo skrči za kakšno minuto. Ekstremni primer so seveda e-bralniki z e-papirjem, ki sliko prikazujejo pasivno in nimajo frekvence osveževanja, dokler ne obrnemo strani. Z enim polnjenjem zdržijo tedne, slika pa je očem prijaznejša.
Pametni telefoni si tega ne morejo privoščiti, lahko pa se učijo iz istih naukov. V povprečju zaslon porabi skoraj polovico energije v pametnem telefonu. Moderni telefoni imajo čedalje večje zaslone, več pik oziroma boljšo ločljivost in višjo frekvenco osveževanja. Slika je brez dvoma lepša, barve bolj žive, videoposnetki tečejo bolj gladko, a za to potrebujemo več energije. V mobilnih napravah je vsaka odločitev tehtanje med več cilji in iskanje kompromisa. Analize kažejo, da znižanje frekvence osveževanja zaslona s 120 Hz na 60 zmanjša porabo energije za 10–30 odstotkov, kar opazno podaljša avtonomijo.
Začelo se je z omrežno napetostjo
Prvi televizorji in monitorji s katodno cevjo so v Evropi sliko izrisovali s 50 Hz, v Severni Ameriki pa s 60 Hz. To je bila tehnološko najenostavnejša rešitev, saj so takt dobili kar iz omrežne napetosti. Na podoben način nekatere primitivne naprave, na primer ure na kuhinjskih pečicah, še danes štejejo čas. Da so lahko prvi televizijski zasloni dosegli tako visoke frekvence, so uporabljali prepleteni način prikaza, ko so v vsakem preletu izrisali le polovico vrstic (sode ali lihe), s čimer so podvojili efektivno frekvenco osveževanja. Današnji zasloni za določanje frekvence ne uporabljajo več omrežne napetosti, temveč imajo svoja vezja, ure in generatorje frekvence.
Najlažje je sprejeti varčevalne ukrepe, ki ne poslabšajo uporabniške izkušnje, če le niso tehnološko prezahtevni in predragi. Pri zaslonih na telefonih je visoka frekvenca osveževanja koristna le redko, najbolj za ogled videoposnetkov in igranje iger, medtem ko brskanje po internetu, ubadanje z aplikacijami in pisanje sporočil tega ne potrebujejo.
V začetku tega desetletja so se pojavili prvi telefoni, ki so lahko frekvenco močno znižali, kadar je to zadoščalo. Med prvimi tovrstnimi modeli so bili OnePlus 9 Pro, Samsung Galaxy Note 20 Ultra in Samsung Galaxy S21 Ultra. Ti so statično sliko prikazovali z zelo nizko frekvenco, nekateri vse do 1 Hz, kar so kasneje posnemali tudi drugi proizvajalci, denimo Vivo, Oppo, Huawei, Xiaomi in seveda Apple. Znižanje frekvence na 1 Hz seveda ni edini trik v rokavu, saj lahko ti telefoni uporabljajo tudi kakšno vmesno frekvenco, denimo 24 Hz, kar je za brskanje po internetu in branje novic povsem dovolj. Ključna iznajdba je bil LTPO (low-temperature polycrystalline oxide) oziroma nizkotemperaturni polikristalinični oksid, ki ga je za zaslone OLED populariziral prav Apple. Tehnologijo imenujemo VRR (variable refresh rate).
Še pred pametnimi telefoni so bile za tehnologijo pripravna tarča pametne ure, kjer res ne potrebujemo visoke frekvence osveževanja. Applova ura Watch Series 5 iz leta 2019 je že podpirala osveževanje z 1 Hz. Kasneje so tehnologijo posvojile tudi druge pametne ure in sorodne naprave.
Silicij ali indij-galij-cinkov oksid
Pred prihodom LTPO so imeli proizvajalci za razvoj zaslonov OLED dve možnosti. O različnih tehnologijah delovanja zaslonov smo v preteklosti že izdatno pisali (Vodnik po TV tehnologijah, Monitor 09/20), zato le na kratko ponovimo osnove. Zasloni OLED v nasprotju z LCD nimajo enotne zadnje osvetlitve, temveč jih sestavljajo osnovni elementi, ki svetijo v treh osnovnih barvah in delujejo kot pike na zaslonu.
Vezje 6T1C za krmiljenje diod v LTPO. Slika: Ching-Lin Fan et al. AMOLED Pixel Circuit Using LTPO Technology Supporting Variable Frame Rate from 1 to 120 Hz for Portable Displays. Micromachines (Basel). 2022
Ti elementi so organske svetleče diode, ki svetijo ob rekombinaciji vzbujenih elektronov z vrzelmi, kar se dogaja, ko skoznje teče električni tok. Sestavljene so iz malih organskih molekul ali polimerov, odvisno od tipa. Te diode moramo usklajeno napajati, za kar potrebujemo fino krmiljenje. V ta namen ima vsaka dioda svoj tranzistor, ki skrbi za vklapljanje in izklapljanje v skladu s sliko, ki jo želimo izrisati.
Diode svetijo, dokler skoznje teče tok. Zakasnitve so minimalne in človeškim čutom neopazne, zato je frekvenca izrisa slike odvisna od hitrosti krmiljenja toka, ki teče skozi diode. To počnejo tranzistorji ob vsaki diodi.
Koliko energije porabi izris slike
Moderni zasloni OLED so zelo učinkoviti pri pretvarjanju električne energije v svetlobo, a izgube povzročajo drugi procesi. Pretvorba električne energije v elektrone in vrzeli, ki se potem rekombinirajo in oddajo fotone, poteka skoraj brez izgub. A približno tri četrtine svetlobe se absorbira v komponentah zaslona, denimo v elektrodah (ki niso popolnoma prosojne), premazu in drugih sestavinah. V praksi tako iz 1 W električne energije dobimo približno 20–100 lumnov uporabne svetlobe, kar je primerljivo z zasloni LCD. Svetlost, torej oddajanje svetlobe, je največji porabnik energije v zaslonu, zato avtonomijo telefonov in prenosnikov učinkovito zmanjšamo z zmanjšanjem svetlosti.
Zaslon v Samsungovem telefonu Galaxy S24 Ultra porabi ob največji osvetlitvi pri intenzivnem igranju iger tudi prek 500 mW energije. Ob manjši svetlosti je seveda porabi bistveno manj, če prikazuje črno ozadje, pa se poraba približa ničli. Poleg ustvarjanja svetlobe pa zaslon troši energijo tudi za interno delovanje, torej krmiljenje tranzistorjev in podpornih komponent, denimo polnjenje kondenzatorjev. Energija vsakega preklopa tranzistorja se meri v bilijoninkah džula, a tranzistorjev je več milijonov, preklapljajo pa se tudi stokrat na sekundo. To lahko nanese nekaj deset milivatov.
Nekaj energije odpade tudi na prenos podatkov, ki pri visokih ločljivostih in frekvencah ni več zanemarljiv prispevek. Grafični procesor mora sproti izračunavati sliko, ki jo potem pošilja na zaslon. Ta energija se sicer ne troši neposredno v zaslonu, temveč v grafičnem procesorju, a prav tako omogoča občutne prihranke, če frekvenco znižamo. Pri ločljivosti 2.340 x 1.800 s frekvenco 120 Hz, kar zmore Samsungov Galaxy S24, to nanese okoli sto milivatov.
Za visoke frekvence se uporablja nizkotemperaturni polikristalinični silicij (LTPS) v tranzistorjih v obliki tankega filma (TFT). Polikristalinični silicij sestavlja več zelo majhnih kristalov silicija, ki jih imenujemo kristaliti. V vsakem izmed njih so silicijevi atomi razporejeni v pravilno ponavljajoči se kristalni mreži, medtem ko so relativne orientacije med kristaliti naključne.
LTPS se pripravi iz amorfnega silicija s kemičnim nanosom par (chemical vapor deposition), ki poteka pri nizkih temperaturah (okoli 600 °C) in mu sledi kristalizacija pod lasersko obdelavo. Tranzistorji iz LTPS se uporabljajo za krmiljenje pik v zaslonih OLED, saj omogočajo visoke frekvence osveževanja. Njihova glavna slabost je velika poraba energije, ker imajo velike izgubne tokove (leakage current), zato je treba na tranzistor nenehno pritiskati napetost.
Koliko hercev vidimo
Pri opisovanju sposobnosti zaslonov jih vedno vsaj posredno primerjamo s človeškimi očmi, saj bo uporaba bistveno slabšega zaslona mukotrpna. Videli bomo zatikanje, utripanje, zrnavost in druge artefakte, ki jih v resničnem svetu ni. Upravičeno se moramo zato vprašati, koliko hercev zares vidimo z očmi. To je povezano, ni pa povsem isto, kot vprašati se, koliko hercev mora prikazovati zaslon, da bomo videli gladko živo sliko. Odgovor je seveda odvisen tudi od kadra, zato vzemimo najtežji primer, ko gre za hitro spreminjajoče se prizore.
Enoznačnega odgovora na to vprašanje ni, ker človeško oko deluje fundamentalno drugače od zaslonov in ne pozna osveževanja v tehničnem pomenu. Svetlobo v očeh zaznavajo čepki in palčice, Raziskave kažejo, da lahko ljudje v idealnih pogojih opazijo utripanje vse do izrisa slik s 500 Hz. Pri vsakdanji rabi je ta meja seveda nižja.
Ključna pojma sta meja utripanja (flicker fusion threshold) in zaznavanje gibanja (motion preception). Meja utripanja je frekvenca osveževanja, nad katero ne opazimo utripanja, če vir svetlobe utripa s to frekvenco, in znaša za zaslone približno 60 Hz, pri močnih virih svetlobe s kontrastnimi robovi (denimo pisarniška osvetlitev) pa vse do 100 Hz. Druga meja je višja in predstavlja frekvenco, pri kateri pri premikajočem se objektu ne opazimo več zameglitve (blur).
Zasloni z manj kot 60 Hz so danes neuporabni, razlika med 60 in 120 Hz pa je očitna. Višje frekvence osveževanja imajo precej šibkejši efekt, nad 240 Hz pa prednosti izzvenijo. Seveda pa za izris statične slike visoka frekvenca osveževanja ni potrebna, temveč je lahko celo moteča, predvsem pa troši energijo po nepotrebnem. To je osnovna premisa zniževanja frekvence osveževanja v zaslonih, kadar prikazujejo statične slike.
Druga skrajnost so tranzistorji iz indij-galij-cinkovega oksida (IGZO). Ti imajo zelo majhne izgube in visoko stopnjo mobilnosti elektronov, zato je njihova poraba energije majhna. Tehnologija je sorazmerno nova, saj je Sharp kot prvi leta 2012 začel komercialno proizvodnjo panelov LCD z IGZO-TFT. Danes z njimi krmilimo zaslone OLED, ki zmorejo izjemno nizke frekvence osveževanja, vse do 1 Hz. To je mogoče, ker IGZO-TFT praktično ne izgubljajo naboja, zato napetost na njih ostane dlje časa. Napetosti na tranzistorju je način, kako ga krmilimo, da prepušča električni tok skozi diodo, ki nato oddaja svetlobo. Pika na zaslonu enakomerno sveti. Poraba energije je manjša, ker lahko vse udeležene komponente delujejo počasneje oziroma manjkrat: grafični procesor, gonilniki, tranzistorji. Žal pri visokih frekvencah IGZO ni primeren, ker ima prepočasen odziv. Potrebujemo torej oboje, a ne istočasno.
Oboje
Shema in posnetek strukture LTPO. Jae Sung Kim et al. LTPO-based pixel circuit with highly uniform luminance and low flicker for variable refresh rate in AMOLED displays. Scientific Reports. 2026
Zasloni LTPO izkoriščajo obe vrsti tranzistorjev. Vezje v LTPO sestoji iz obeh vrst materiala, tako LTPS kakor IGZO. Gre torej za kombinirano vezje, v katerem ima vsaka dioda tranzistorja z različnimi lastnostmi, krmilnik pa preklaplja med načini delovanja. Poenostavljeno povedano: kadar potrebujemo visoko frekvenco (120 Hz), se uporabljajo LTPS-TFT, ob nižjih zahtevah pa IGZO-TFT.
Vezje za krmiljenje posamezne diode v LTPO sestoji iz več tranzistorjev. Ena mogoča izvedba je vezje 6T1C, ki ima en LTPS-TFT za napajanje, dva LTPS-TFT za preklapljanje, tri IGZO-TFT za počasno preklapljanje in kondenzator za shranjevanje naboja. Obstajajo še druge izvedbe, saj imajo različni proizvajalci svoje različice, vsem pa je skupna kompleksna sestava z več tranzistorji. Kateri potem dejansko upravlja sliko, je odvisno od kadra.
Slika z LTPO ne bo boljša kot brez, bodo pa naprave varčnejše. Če torej telefon ves dan ždi priklopljen na polnilnik ali se nikoli ne potikate po območjih brez hitro dostopnih polnilnikov, potem z LTPO ne boste kaj dosti pridobili. Če pa želite čim daljšo avtonomijo, bo LTPO dobrodošel.
Do danes je Samsung razvil tri generacije LTPO, večina novih telefonov uporablja tretjo. LTPO 1.0 je omogočal zgolj nekaj frekvenc med 10 in 120 Hz, preklapljanje med njimi pa ni bilo mogoče v vseh kombinacijah, temveč po korakih. Naslednjo različico LTPO 2.0 smo videli v iPhonu 13 Pro, kjer je že dosegal 1 Hz, bolj gladko prilagajanje frekvence in učinkovitejše algoritme za preklapljanje. V LTPO 3.0 so izboljšali nadzor in učinkovitost, tako da sprememb v frekvenci osveževanja praktično ne zaznamo več. Zaslon je dovolj pameten, da se nemoteče prilagaja zahtevam.
Applova pametna ura Watch Series 5 je prva omogočala frekvenco osveževanja slike z 1 Hz.
Korak v prenosne računalnike
Na enak način bi lahko avtonomijo podaljšali tudi prenosnim računalnikom, kjer je zaslon takisto eden največjih požeruhov. Letos marca je LG predstavil prvi panel za zaslone v prenosnih računalnikih, ki zmore znižati frekvenco osveževanja do enega herca. Poimenovali so ga Oxide 1Hz, kar jasno priča o tehnologiji, ki ga poganja: LTPO. LG je potrdil, da ne gre za prototip, temveč da so začeli množično proizvodnjo zaslonov LCD z LTPO. Ti bodo ob ločljivosti 1.920 × 1.200 pik zmogli 120 Hz, kar pa bodo lahko upočasnili. LG je izračunal, da naj bi tak panel porabil 48 odstotkov manj energije, a to je seveda odvisno od načina uporabe in predpostavk, ki so bile nedvomno zelo optimistične.
Prvi bo panele za zaslone svojih prenosnikov uporabil Dell. Osvežena linija XPS, ki so jo napovedali že januarja letos na sejmu CES, bo že imela te zaslone. Prve panele OLED pa LG napoveduje v prihodnjem letu. Njihova slika bo seveda boljša, osveževanje pa med 20 in 120 Hz.
Koncept delovanja LTPO pri zaslonih LCD je podoben kot za OLED. Namesto da bi tranzistorji krmilili tok, ki teče skozi svetleče diode, krmilijo tok, s katerim obračamo orientacijo molekul tekočih kristalov. Zadnja osvetlitev (backlight) je konstantna in odvisna od izvedbe, nekoč so bile fluorescenčne sijalke, nato svetleče diode, svetlobo pa selektivno prepušča kombinacija polarizacijskih filtrov in plasti tekočih kristalov. Hitreje kot lahko krmilimo tok, s katerim obračamo molekule tekočih kristalov, hitreje (ali počasneje) se bo izrisovala slika.
LG je bil resda prvi in najpogumnejši, še zdaleč pa ni edini. V prihodnjih mesecih pričakujemo enake napovedi tudi od drugih proizvajalcev. BOE in Intel sta že leta 2024 napovedala zaslon, kjer naj bi frekvenco osveževanja določala kar umetna inteligenca, zaradi česar bi poraba energije upadla za 65 odstotkov, sta izračunala proizvajalca. Tehnologijo so poimenovali Winning Display 1 Hz – da, imena so čedalje bolj neumna –, a izdelkov še ni. Obljubljajo jih konec tega leta.
Applovi telefoni omogočajo izklop hitrejšega osveževanja.
Ali to potrebujemo?
Odgovor je enak kot pri večini podobnih novosti. Brez adaptivnega upravljanja osveževanja frekvence smo preživeli doslej in bomo tudi v prihodnosti. A po drugi strani smo preživeli tudi z zasloni s katodno cevjo in z 50-Hz osveževanjem, pa si ne želimo tja nazaj.
Prilagajanje osveževanja slike ne bo izboljšalo, bo pa zmanjšalo porabo. V mobilnih telefonih so prednosti zelo očitne, v prenosnih računalnikih pa nekoliko manj, a še vedno nezanemarljivo. Na koncu bo moral vsakdo presoditi, ali tehnologijo potrebuje in je pripravljen zanjo plačati. Kdor ne potrebuje najnovejšega telefona in ga ne moti, da mora s seboj vzeti zunanjo baterijo, že zdaj verjetno uporablja poceni kitajske telefone, ki so roko na srce povsem spodobni. Kdor pa ima tisočak ali več za najnovejši telefon, bo LTPO dobil, pa če ga potrebuje ali ne.
Enako bo veljalo za prenosne računalnike. Kdor ga uporablja pretežno v pisarni in avtonomije ne potrebuje, je že zdaj lahko sprejel kakšen kompromis pri velikosti in porabi energije. Kdor na to ni pripravljen, pa že danes to tudi plača. Z LTPO bo podobno kot z LCD in kasneje OLED – sčasoma jih bodo imeli vsi. In na koncu bo to še en kamenček v mozaiku razvoja, ki se zrcali v pogosto spregledani ugotovitvi: baterije napredujejo v odstotkih, zmogljivost in varčnost komponent pa v večkratnikih. Moderni telefoni in računalniki so v primerjavi s svojimi predhodniki neverjetno učinkovitejši, baterije pa morda dva- ali trikrat zmogljivejše.
