60fps E-Ink monitör Modos Flow’u nasıl yaptım

• 13,3 inçlik E-Ink monitör, 300 ppi’de saniyede 60 kez yenileniyor ve 4 yıl boyunca geliştirilen özel kontrolcü, donanım ve firmware sayesinde gerçek bir ürüne dönüştü
• Mevcut E-Ink kontrolcüleri yaklaşık 100 ms’lik küresel güncelleme beklemesi nedeniyle hız ile kontrast arasında ödün veriyor; piksel başına güncelleme yöntemi ise değişen pikselleri anında yeniliyor
• Piksel başına güncelleme, 13 inç siyah-beyaz görüntülemede bant genişliği gereksinimini 20 MB/s’den 540 MB/s’ye çıkarıyor; bu da DDR3 ve DisplayPort gerektiriyor
• Gri tonlama, titreşimsiz şekilde mümkün olmadığından Bayer dithering, blue noise, error diffusion ve hibrit görüntüleme modu birlikte kullanılıyor
• Nihai ürün; dokunmatik ekran, ön aydınlatma, renk seçenekleri, çeşitli görüntüleme modları ve açık kaynak yüksek yenileme hızlı E-Ink monitör için donanım, FPGA gateware’i ve firmware içeriyor

---

Başlangıç noktası: E-Ink dizüstünden özel kontrolcüye

• 60fps E-Ink monitör, 300 ppi’de çalışıyor ve E-Ink hızla anılan bir ekran türü olmamasına rağmen saniyede 60 kez yenileniyor
• Geliştirmenin çıkış noktası bir E-Ink dizüstü bilgisayardı; o dönemde E-Ink destekleyen SoC’ler e-kitap okuyucular için tasarlanmıştı ve düşük güç, yavaş işlemciler ve sınırlı arayüzlerle kısıtlıydı
• Dizüstü yapmak için SoC ile ekranın ayrılması gerekiyordu; araya FPGA tabanlı bir sürücü çipi koyarak özel bir E-Ink kontrolcüsü oluşturmak gerekti
• İlk dizüstü tasarımında büyük bir touch bar gibi çalışan çubuk biçimli bir LCD vardı ve bazı işler için hızlı bir ekran gerektiği, E-Ink’in ise yavaş kalabileceği varsayılmıştı
• 60fps başlangıçta ana hedef değildi; dizüstü için yeterince hızlı olması yeterliydi ve 60fps mümkün olmazsa 15fps de kabul edilebilir bir hedefti

Piksel düzeyinde güncellemenin getirdiği hız ve kalite

• Geleneksel E-Ink kontrolcüleri, ekranı yenilerken önceki güncelleme tamamlanana kadar bekleyen bir küresel güncelleme zamanlayıcısı kullanıyor
• Geleneksel güncelleme yaklaşık 100 ms sürüyor; en kötü durumda yeni görüntü işlenmeden önce 100 ms beklemek gerekebiliyor
• Zamanlayıcı daha hızlı çalıştırılırsa kare hızı artıyor, ancak E-Ink parçacıklarının tepki verecek zamanı kalmadığı için görüntü yıkanmış gibi görünüyor
• Geleneksel yöntem, yenileme hızı ile kontrast arasında bir ödünleşim yaratıyor; bazı kontrolcüler bunu hafifletmek için 4 ila 16 bölgeyi bağımsız yeniliyor
• Bölge tabanlı bu yaklaşımda bölgeleri yazılımın doğrudan yönetmesi gerekiyor ve yine de sınırlamalar sürüyor
• Piksel başına güncelleme yaklaşımı, tüm pikselleri bağımsız güncelleme bölgeleri gibi ele alıyor; değişen her piksel beklemeden hemen güncellenmeye başlıyor
• Bu yöntem, yüksek kare hızı ile yüksek kontrastı aynı anda sağlayarak mevcut hız/kalite ödünleşimini ortadan kaldırıyor
• Dezavantajı bellek bant genişliği; 13 inç panelde siyah-beyaz görüntü gösterirken geleneksel kontrolcü saniyede 20 MB isterken bu yöntem saniyede 540 MB gerektiriyor
• Yüksek bant genişliği ihtiyacı nedeniyle temel SDRAM yerine DDR3, USB yerine de DisplayPort gerekiyor; bu da maliyeti artırıyor
• Kitap okuma kullanımında bu kurulum gereksiz, ancak monitör kullanımında büyük fark yaratıyor

Görüntü kalitesi: dithering ve hibrit gri tonlama

• Proje, dizüstünden önce iyi bir monitör yapma yönüne kaydı ve sonraki birkaç yıl boyunca boş zamanlarda geliştirildi
• E-Ink, titreşimsiz gri tonlama gerçekleştiremediği için dithering zorunluydu
• Uygulanan dithering algoritmaları Bayer dithering, blue noise ve error diffusion olmak üzere üç taneydi
• Bayer dithering hızlı ama belirgin desenler oluşturuyor; blue noise daha iyi bir görünüm veriyor; error diffusion ise en iyi kaliteyi sunuyor ancak yüksek çözünürlüklere ölçeklemek zor
• Dithering işe yarıyor, ancak gerçek gri tonlamanın yerini tutmuyor; bunun istisnası titreşimli gri tonlamaydı
• Mevcut monitörler ya yavaş titreşim modları uyguluyor ya da gri tonlamayı tamamen atlıyordu
• Hibrit yaklaşımda görüntü değiştiğinde hızlı ikili moda geçiliyor, kısa süre sabit kaldığında ise yeniden gri tonlamada render ediliyor
• Bu yöntem okumaya çok uygun, ancak diğer kullanım türleri için daha az elverişliydi; özel kontrolcü sayesinde hazır ayarlı modlara bağlı kalmadan kullanım senaryosuna göre optimizasyon yapılabildi

Donanım iterasyonları ve ürüne dönüşme süreci

• İlk prototip tam boy DisplayPort kullanıyordu; daha sonra DisplayPort taşıyan USB Type-C’ye geçildi
• Entegre güç yönetim entegresi üretimden kalkınca ayrı DC-DC dönüştürücülere geçmek gerekti
• Beklenmedik latch-up olaylarından ekranı korumak için karta tam kapsamlı gerilim ve akım izleme eklendi
• Her değişiklik yeni bir PCB revizyonu gerektirdi ve her revizyon yeni dersler getirdi
• Dış tasarım tedarikçisinden ilk kasa tasarımı geldiğinde, masa üzerindeki çıplak PCB yerine gerçek bir ürün gibi görünmeye başladı
• Hackaday Supercon, LatchUp ve Supply’nin Teardown etkinliğinde demo yapıldı ve insanlar bu ürünün gerçekten çıkmasını istedi
• Teknoloji çalışıyordu, talep vardı ve tasarım da hazırdı; bu yüzden son hamle için işten ayrınıldı
• Plan, birkaç ay boyunca yoğunlaşarak tasarımı iyileştirmek, üretmek ve sevkiyata başlamaktı

Baştan tasarım, tedarikçi sorunları ve nihai özellikler

• Tam zamanlı çalışmaya geçildikten hemen sonra E-Ink, daha yüksek çözünürlük, daha iyi özellikler ve daha düşük fiyat sunan yeni bir panel duyurdu
• Yeni panel daha iyi bir ürün vaat ediyordu, ancak daha yüksek çözünürlük nedeniyle yüksek bant genişlikli decoder IC, yüksek bant genişlikli DDR bellek, yeni FPGA ve daha yüksek akım sağlayan güç beslemesi gerekti
• Bu değişiklik kartın neredeyse tamamını değiştirecek düzeydeydi ve en az yarım yıllık gecikmeye yol açtı
• Nihai üründe, önce kartı tasarlayıp kasayı ona uydurma yaklaşımı bırakıldı; bunun yerine şasi, kesin ölçüler ve montaj noktaları gibi form faktör önce belirlenip kart buna göre tasarlandı
• Yeni yaklaşım genel tasarımı daha optimize ve daha tutarlı hale getirdi, ancak bir büyük revizyon daha gerektirdi
• Tam montajlı prototip Design Shenzhen’de gösterildi, ancak rastgele glitch’ler, görüntü kopmaları ve başlatma hataları nedeniyle sevkiyat için fazla kararsızdı
• Video decoder çipi tedarikçisi, NDA ve hizmet sözleşmesi olmasına rağmen yardım etmeyi reddetti ve en baştan sürücü kodu da sağlamadı
• Çipi kullanmak için kaynak kodunu almak adına ek ücret ödendi, ancak kod çalışmadı; çalışan kod için ise daha fazla para istendi
• Daha sonra başka bir tedarikçiye geçildi; yeni tedarikçiyle çalışmak çok daha iyiydi, ancak projenin başında o çip mevcut değildi
• Sonrasında dokunmatik ekran desteği eklendi; bunun için yeni dokunmatik kontrolcünün entegrasyonu, sürücü yazımı ve kalibrasyon işlemleri gerekti
• Titreşimsiz ön aydınlatma, netliği artırmaya yarayan kare hızı sınırlayıcı, güç bağlantısı yokken enerji tasarrufu sağlayan düşük güç modu ve bu özellikleri yöneten ekran üstü menü eklendi
• Her özellik tek cümlede basit görünebilir, ancak düzgün uygulanması haftalar sürdü ve bitiş çizgisi sürekli ötelenmeye devam etti
• Tam zamanlı çalışmaya geçildikten sonra, önceki iş dönemine kıyasla daha fazla zaman harcandı; gece ile hafta sonu arasındaki sınırlar bulanıklaştı, oyun ve boş zaman azaldı
• Kararlar doğrudan alınıp hemen uygulanabiliyordu; bir sorun çözüldüğünde çözülmüş kalıyordu ve bir özelliği hayata geçirmek için başkalarını ikna etmek gerekmiyordu
• 4 yılın sonunda ortaya; 13,3 inç, en fazla 60fps, çok düşük gecikme, çeşitli görüntüleme modları, dokunmatik ekran, ön aydınlatma ve renk seçenekleri sunan bir monitör çıktı
• Donanım tasarımı, FPGA gateware’i ve firmware’in tamamı açık kaynak olarak yayımlandı; istenirse doğrudan elde de üretilebiliyor

[GN⁺]

Lobste.rs görüşleri

• Bu yıl FOSDEM'de Alex'le tanışıp bu demoyu gördüm; oldukça iyi görünüyordu

  • Ben de gördüm ve neredeyse nihayet geldi hissi vermişti
    Henüz prototip aşamasında ve kasası da tamamlanmamış olduğu için tamamen emin olamadım ama potansiyeli yüksek görünüyordu; bir sonraki e-mürekkep alışverişim muhtemelen modos ürünü olacak

• Eski Crowd Supply kampanyasından aldığım bir geliştirme kiti var; merak ettiğiniz bir şey varsa sorabilirsiniz

  • Kod yazmak için iyi mi?
  • Güç tüketimi için nicel olarak ölçülmüş değerler var mı? Bulabildiğim teknik özelliklerde yalnızca tipik e-kağıt için “düşük” yerine “yüksek” gibi bir ifade vardı
    Parlak güneş ışığı altında kontrastın nasıl olduğunu ve yazılım tarafında herhangi bir sorun yaşayıp yaşamadığınızı da merak ediyorum

• Gerçekten harika bir ekran. Dizüstü bilgisayar ya da tablette yer alsa iyi olurdu; ama küçük bir harici ekran olarak tek başına ne kadar kullanırım emin değilim
  “Hareket halindeyken Flow'u tek bir USB Type-C kablosuyla en fazla 40Hz'de çalıştırabilir, masada ise ek güç bağlayarak tam 60Hz yenileme hızından yararlanabilirsiniz” açıklaması biraz garip geliyor
  Güç tüketimi rakamlarını bulamadım ama tek bir USB-C kablosu üst düzey bir dizüstü bilgisayarın tamamına bile güç sağlayabiliyorken, tek bir ekranın bundan daha fazlasını tüketmesi tuhaf olurdu

  • Doğru anladıysam mesele giriş tarafının USB Power Delivery sağlayıp sağlamaması gibi görünüyor
    AC/DC girişi olan masaüstü monitörler 60W veya 100W gibi PD çıkışı verebilir ama benim dizüstü bilgisayarım PD çıkışı vermiyor
    Yalnızca PD ile şarj olan bir kameram var; dizüstü bilgisayara USB-C ile sorunsuz bağlanıyor ama 25W ya da 30W civarı gerektiği için şarj olmuyor
    Yine de evdeki diğer taşınabilir monitörlerim yalnızca dizüstü bilgisayarın USB-C'siyle çalışıyor. E-mürekkebin hücreleri temizlemek için 5V'tan yüksek gerilim gerektirdiğini düşünürsek, 60Hz'de bu yükseltme nedeniyle güç tüketimi fazla artıyor olabilir

• Buna inanmak biraz zor. Benim anladığım kadarıyla düşük kare hızı temelde bir yazılım sınırlaması, donanım sınırlaması değil; öyleyse neden hâlâ daha yaygınlaşmadı?

  • Sebebi maliyet ve güvenilirlik. E-mürekkep ekranların ana kullanım amacı düşük güç tüketimi; yüksek güç harcayan ve yüksek bant genişliği isteyen denetleyiciler ise bu amaca ters düştüğü için daha az yatırım alıyor
    Müşterinin ihtiyaç duymadığı daha pahalı denetleyicileri eklemek için de güçlü bir neden yok; ayrıca e-mürekkebi daha sert sürmek ömrünü kısaltarak değer önerisini değiştiriyor
    E-mürekkep ekranlar patent maliyetleri ve zorlu mekanik tasarımları nedeniyle zaten pahalı. Bunu, bir Toyota Corolla'yı saatte 150 mil hız yapacak hale getirmeye benzetebilirsiniz: bunu yapmak mümkündür ama konfor için tasarlanmış iç bileşenleri değiştirmeniz, bazı güvenlik paylarını kaldırmanız gerekir ve hareketli parçalar daha ilk turunu bile tamamlamadan bozulabilir
  • Bu sadece bir yazılım meselesi değil. Pikselin fiziksel kısıtlarını ele almak için özel donanım denetleyicileri tasarlamak ve güncelleme hızını da çok dikkatli ayarlamak gerekti
    Sonuçta “tüm donanım algoritmadır, dolayısıyla her şey yazılımla başlar” demek doğru olabilir; ancak e-mürekkep söz konusu olduğunda denetleyici pazarı, DVI veya VGA denetleyicileri gibi onlarca yıl içinde olgunlaşmış bir pazarı yakalayamadı
    Alex'in çalışması açık kaynak olduğu için, çok geçmeden bir noktada bunun büyük ölçekte yeniden üretilebileceğini düşünüyorum

• Yüksek yenileme hızı ve yüksek kontrast sunan yansıtıcı ekranlara yönelik belirgin bir talep var gibi görünüyor. Ama neden çoğu yaklaşım “normal e-kağıdı bir şekilde kullanalım ya da modifiye edelim” çizgisinde, merak ediyorum
  Üreticiler neden Sharp'ın Memory Display ailesine benzer şekilde 6 inçten büyük yansıtıcı LCD paneller üretmiyor?
  Ayrıca, keşke elektronik endüstrisi satın alınabilir elektriksel ıslatma ekranları da üretse

  • Benim izlenimim, e-mürekkebin yansıtıcı LCD'den kâğıda daha yakın göründüğü yönünde