Technologie mirasol slibuje přinést elektronický papír snů - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

22. prosince 2009, 00.00 | Qualcomm pracuje na vlastní technologii elektronického papíru, jež nabízí nejenom podporu barev, ale též zcela plynulého videa. A první přístroje ji využívající by se na trhu mohly objevit snad již koncem příštího roku.

Elektronické knihy a vůbec všechna zařízení využívající „elektronický papír“ se v poslední době těší zvýšenému zájmu, proto se jim samozřejmě věnuje také Grafika. Nedávno jsme přinesli souhrn toho, co lze na tomhle poli čekat v příštím roce. Vývoj ovšem neustává a stále se objevují další technologie, které by mohly tyto přístroje posunout dále. Na jednu zvlášť slibnou technologii chceme upozornit v následujícím článku.

Nepříjemná omezení současných elektronických čteček

Zajímáte-li se o čtečky elektronických knih, víte, že nabízejí zobrazení a zacházení hodně se blížící skutečnému papíru, ale zároveň poskytují přednosti elektronických médií. V současnosti dostupné implementace však trpí řadou omezení. Většina dnešních čteček používá elektroforetickou technologii „elektronického papíru“ firmy E-Ink (existují ovšem i jiná řešení), jež dovoluje pouze monochromatické zobrazení (v několika stupních šedi) a obnovovací frekvence takových displejů je tak nízká, že zůstávají naprosto nepoužitelné pro video.

To sice nijak zvlášť nevadí u knih z oblasti beletrie, ovšem u odborných publikací by se lepší zobrazovací možnosti již hodily, o časopisech ani nemluvě (nebo si snad dovedete představit National Geographic bez jeho vypiplaných barevných fotografií?). A multimediální publikace připomínající spíše webové stránky, které někteří považují za budoucnost vydavatelského průmyslu, by potřebovaly něco zcela jiného. Omezení stávajícího elektronického papíru navíc neumožňují jeho nasazení do univerzálních přístrojů jako jsou PDA, chytré telefony (smartphones) a různé jiné mobilní počítače.

Ideální elektronický papír by tak měl podporovat plnobarevné zobrazení a plynulé video, avšak zároveň by si měl zachovat své základní vlastnosti, tedy zobrazení blížící se tisku na skutečný papír a potřebu přísunu energie jenom pro změnu zobrazení.

Qualcomm předvedl prototypy svého řešení webu SlashGear

Ti, kdo se o elektronické knihy zajímají, si jistě nepochybně mnohokrát představovali, jak by takové řešení mohlo vypadat, ve vývojových laboratořích se ovšem již na naplnění těchto technických snů pracuje, jednou z možných odpovědí by mohla být technologie mirasol firmy Qualcomm. (Přesněji řečeno jde o její divizi Qualcomm MEMS Technologies, Inc. s pracovišti v Kalifornii a na Tchaj-wanu, ale kvůli stručnosti budeme nadále mluvit jen o Qualcommu.)

Web SlashGear věnující se různým „technickým hračičkám“ a souvisejícím technologiím dostal v polovině listopadu možnost podívat se na prototypy zařízení využívajících zobrazovací panely mirasol a vypadá to opravdu velice zajímavě.

Představují se displeje mirasol

Redaktoři SlashGearu se totiž sešli se členy vývojového týmu Qualcommu pro technologii mirasol, kteří jim předvedli nejnovější prototypy svých displejů. Už nyní lze (především v USA) sehnat produkty využívající 1,1“ monochromatický displej mirasol první generace, ovšem teď Qualcomm ukázal 5,7“ displej schopný zobrazovat plné barvy a přehrávat plynulé video, aniž by to příliš zkracovalo výdrž baterie. A nejenom to, elektronické čtečky s plnobarevnými panely mirasol hodlají dostat na trh již koncem roku 2010.

Na fungování panelů mirasol se podíváme podrobněji níže, pro začátek stačí říci, že tyto displeje využívají principů odkoukaných od některých motýlů, vytvářejí barvy odrazem světla od mikromechanických membrán pomocí interferenčních efektů. Stejně jako klasický papír tenhle systém využívá odraženého světla a protože narozdíl od běžných zobrazovacích technologií nepoužívá žádné filtry, tohoto světla ztratí jen velmi málo, proto displej zůstává dobře čitelný i v přímém slunečním svitu. Membrány jsou navíc bistabilní, takže displej spotřebovává energii pouze při změně zobrazení (právě to z něj dělá „elektronický papír“).

Redaktoři SlashGearu viděli nefunkční makety elektronických čteček s 5,7“ panelem mirasol, samotný panel však funkční byl, takže jeho pixely se daly přepnout tak, aby zobrazoval statický barevný obrázek (fotografie ukazují stránku článku o prezidentovi Obamovi z časopisu The Economist).

Panel má rozlišení XGA (1024 x 768 pixelů), což dává zhruba 220 pixelů na palec. Prototypy s 5,7“ panely zobrazovaly jenom statické stránky, avšak Qualcomm SlashGearu předvedl také velice jasný 2,2“ displej, který přehrával zcela plynulé video. Jak přehrávání videa, tak dva prototypy 5,7“ čteček lze vidět na pořízeném videozáznamu.

SlashGear též sestavil malou fotogalerii snímků 5,7“ panelu, a to jak v přímém slunečním světle (fotografovalo se v Londýně za oblačného dne), tak také v umělém (halogenovém) osvětlení, v obou případech barvy vycházely celkem dobře a text byl (díky užitému rozlišení) ostrý a čitelný. A kvalita videa na menším 2,2 displeji se plně vyrovnala obdobným LCD displejům.

Panely mirasol šetří baterie

Narozdíl od většiny současných elektronických čteček displeje mirasol zvládají jak barvy, tak video. A co je ještě lepší, nebudou problémy ani s výdrží baterií, právě ve spotřebě energie totiž tyto displeje vynikají proti jiným technologiím elektronického papíru. Vývojový tým Qualcommu tvrdí, že standardní elektronická čtečka jako například Kindle Amazonu by mohla vydržet pracovat asi o 20 procent déle, kdyby se její monochromatický displej používající technologii E-Ink nahradil barevným panelem mirasol, samozřejmě za předpokladu, že se bude užívat stejným způsobem.

Ovšem když by E-Ink displej začal zobrazovat barvy a jeho obnovovací frekvence by se zvýšila tak, aby byl schopný přehrávat plynulé video (což stávající implementace prostě nedovolují), jeho příkon by výrazně vzrostl, mohl by dokonce svou spotřebou předčit normální LCD displeje. A tak barevný Kindle podporující video by na současnou baterii (s kapacitou asi 1 500 mAh) vydržel jen asi den, zatímco stejný přístroj s panelem mirasol by údajně měl pracovat zhruba týden, podle Qualcommu.

Široké možnosti uplatnění

Zdá se tedy, že panely mirasol přinášejí jenom samé výhody a jejich uplatnění může být hodně široké. Především ovšem půjde o elektronické čtečky, to byly také předvedené prototypy. Zatím sice nebylo možné sdělit konkrétnější informace o těchto přístrojích, ale plánují se jak zařízení s QWERTY klávesnicí, tak bez ní a modely s normální nebo s dotykovou obrazovkou. A protože Qualcomm patří k největším výrobcům čipů pro bezdrátovou komunikaci, je téměř jisté, že mnohé z přístrojů s displeji mirasol budou vybavené též bezdrátovým připojením.

Většina čteček bude pravděpodobně používat zmíněný 5,7“ panel, poskytující optimální poměr ceny a výkonu, avšak samotná technologie neklade principiální překážky ani výrobě větších displejů.

Možnosti jejich nasazení jsou ale ještě mnohem širší, jak poznamenává SlashGear, má-li to displej a baterii, půjde pro to použít panel mirasol. Vývojový tým Qualcommu očekává, že se čtečky elektronických knih nakonec vyvinou v zařízení typu tabletů, které ovšem tentokrát už budou nabízet přijatelnou výdrž na baterii. Když se k tomu přidá dotykové ovládání, volitelné fyzické klávesnice a integrované bezdrátové připojení, mohl by vzniknout skutečně použitelný tablet, zvlášť když díky panelu mirasol ho bude možné nabíjet jen jednou za týden a nikoli již po několika hodinách jako současné modely s LCD displeji.

Předvedený 5,7“ panel by se výborně hodil pro kapesní internetové terminály (pro něž Intel razí zkratku MID, tedy Mobile Internet Device – mobilní internetová zařízení) a možná by mohl oživit zatím skomírající kategorii ultramobilních osobních počítačů UMPC. A menší panely mirasol, třeba onen 2,2“ model, by se jistě dobře uplatnily jako náhledové displeje digitálních fotoaparátů a videokamer, protože LCD displeje těchto přístrojů patří k největším „žroutům baterií“, což by technologie mirasol mohla změnit.

A o den později po prvním článku o předvedených prototypech dostal SlashGear povolení zveřejnit též fotografii dodatečného herního ovladače. To ukazuje, že Qualcomm uvažuje i o nasazení displejů mirasol v kapesních herních přístrojích (nijak překvapivé, když tahle technologie hladce zvládá plynulé video, takže si poradí i s akčními hrami).

První přístroje s displeji mirasol mají přijít na trh už koncem příštího roku

Nejdůležitější ovšem je, že vůbec nejde o nějaké vzdušné zámky, zařízení s displeji mirasol by se poměrně brzy mohli dočkat i koncoví zákazníci, Qualcomm totiž již spolupracuje s více OEM partnery (které však zatím nechce jmenovat) na výše zmíněných různých modelech čteček elektronických knih, přičemž první taková zařízení chce na trh dostat už koncem roku 2010. A vzhledem k tomu, že za displeji mirasol stojí tak významná firma jako Qualcomm a jako klíčový hardwarový partner byl vybrán LG, jeden z největších světových výrobců zobrazovačů, jeví se udaný termín vcelku realistickým.

Technologie mirasol vzbuzuje velká očekávání, o čemž svědčí i to, že renomovaný deník Wall Street Journal firmě udělil cenu za technickou inovaci, kvůli jejímu novátorskému přístupu k zobrazování. Qualcomm prostě chce dostat na trh elektronický papír, který bude zvládat plné barvy a plynulé video, aniž by však musel obětovat výdrž baterie.

Základní principy fungování technologie mirasol

Čtenáře Grafiky ovšem nepochybně zajímá i to, jak toho vlastně panely mirasol dosahují. Qualcomm s principy fungování svých displejů nedělá žádné tajnosti, věnuje jim celý rozsáhlý web, základní přehled předkládá tady, jednotlivé vlastnosti své technologie probírá v interaktivním průvodci, poskytujícím jak textové popisy, tak animovanou interaktivní Flash prezentaci (dá se najít též jako videoklip na YouTube), ještě důkladnější a techničtější popis přináší tenhle 16stránkový PDF dokument. A stručný výtah z těchto informací nabízíme také zde:

Základní vlastnosti „elektronického papíru“

Chcete-li vytvořit „elektronický papír“, tedy zobrazovač nabízející vjem podobný skutečnému papíru, musí mít především dvě základní vlastnosti - musí pracovat s odraženým světlem a přitom poskytovat odrazivost a kontrast srovnatelné s papírem a dále musí být bistabilní, musí být schopen zaujímat dva stabilní stavy, v nichž se udrží bez přísunu energie.

Díky tomu takovýto displej spotřebovává energii jen při změně zobrazení (v případě elektronických čteček obvykle při přechodu na novou stránku), nově vytvořený obraz zůstává zachován i bez dalšího napájení (narozdíl od klasických emisních displejů, jež se musí trvale podsvěcovat).

Základ technologie mirasol tvoří mikroelektromechanické interferenční prvky IMOD

Toho se dá dosáhnout různými způsoby, technologie mirasol (tohle slovo mimochodem znamená ve španělštině „slunečnici“) k tomu využívá mikroelektromechanické (MEMS) struktury, proto se příslušná divize Qualcommu jmenuje Qualcomm MEMS Technologies.

Jak jsme již stručně zmínili výše, základní princip displejů mirasol byl okopírován z přírody, od motýlů. Zejména tropické druhy se často pyšní křídly s nádherným duhovými barvami, ty však nevytvářejí žádná barviva, ale interferenční efekty. A právě toho využívá též technologie mirasol a z tohoto důvodu má její logo podobu obrysu motýlích křídel.

Základ displejů mirasol tvoří prvek zvaný IMOD (zkratka z „inteferometric modulation“, interferenční modulace). IMOD prvek sestává ze dvou vodivých odrazivých destiček, jedné nanesené jako film na skleněný podklad, zatímco druhá má podobu rovněž odrazivé membrány vznášející se nad pokladem. Prostor mezi oběma destičkami vyplňuje vzduch.

Když na IMOD prvek v tomto stavu dopadne světlo, odrazí se jak od horní, tak od dolní destičky, ovšem kvůli vzduchové mezeře mezi nimi dojde k fázovému posunu a v důsledku interference světla z těchto dvou zdrojů se některé vlnové délky vyruší, zatímco jiné se posílí, výsledné světlo tak získá určité zabarvení. A velikostí vzduchové mezery lze tuto barvu přesně nastavit. IMOD prvek tedy funguje jako optická rezonanční dutina schopná odrážet světlo určité barvy.

Jestliže se však na ony dvě destičky přivede elektrické napětí, elektrostatické síly je přitáhnou k sobě a interference světlo posune do neviditelné ultrafialové oblasti, takže se IMOD prvek jeví jako černý. A přivedením opačného napětí se destičky prvku opět oddálí do původní vzdálenosti a zase bude poskytovat světlo určité barvy.

Pro návrat horní membrány do horní polohy je potřeba méně energie než pro její přitažení a díky tomu je IMOD prvek bistabilní, což vyplývá z jeho elektromechanických vlastností (z nerovnováhy mezi lineárními mechanickými silami snažícími se o oddálení membrány a mezi nelineárními silami vytvořeného elektrického pole), vykazuje takzvaný hysterezní efekt, jeho stavy se cyklicky opakují po sobě, může proto vlastně fungovat jako paměťový prvek, oba dva stavy zůstávají zachovány i bez dalšího přívodu energie.

IMOD prvek díky tomu poskytuje všechny vlastnosti potřebné pro elektronický papír. Displej se dá sestavit jako matice takovýchto prvků, které budou fungovat podobně jako TFT matice LCD displejů. A plnobarevného zobrazení se dosáhne stejně jako v LCD displejích tím, že každý pixel bude sestávat ze tří subpixelů vytvářejících základní barvy, jež se ovšem u IMOD prvků získávají vhodným nastavením velikosti vzduchové mezery (namísto barevných filtrů).

Užitá technologie přináší řadu zásadních výhod

Použitá mikroelektromechanická technologie skýtá řadu významných výhod. Díky využití interference pro zabarvení světla pracuje IMOD prvek s mnohem lepší „světelnou účinností“ než zobrazovací technologie používající filtry a polarizátory, kde se velká část světla pohltí (to je případ běžných LCD displejů), díky tomu nabízí vysokou odrazivost (podle Qualcommu až 50 procent) a kontrast (až 8:1). Pro srovnání, novinový papír má odrazivost okolo 60 procent a kontrast 4:1.

Protože displej mirasol pracuje s odraženým světlem, tak samozřejmě oproti displejům s podsvícením zůstává dobře čitelný i v přímém slunečním světle. Za slabého osvětlení ovšem moc čitelný nebude, to se ale snadno vyřeší přisvícením, třeba i z vnějšího zdroje, stejně jako při čtení papírových publikací.

IMOD prvky také zajišťují velice dobré pozorovací úhly displejů mirasol, nesrovnatelně lepší než běžné LCD displeje, při sledování panelů mirasol pod velkým úhlem nedochází k inverzi barev.

A technologie mirasol nemá potíže ani s videem. Viditelné světlo tvoří vlnové délky z rozmezí 380 až 780 nanometrů, takže se membrány IMOD prvků musí posouvat jen o několik stovek nanometrů, aby způsobily potřebný efekt. Lehoučké membrány se pohybují na mikroskopické vzdálenosti, díky tomu lze dosáhnout extrémně krátkých spínacích časů, v řádu desítek mikrosekund. A to znamená, že displeje mirasol hladce zvládnou zobrazovat plynulé video bez nežádoucích efektů (rozmazání). Tím se zásadně liší od elektroforetických displejů E-Ink, kterým naopak z principu dosažení vyšších obnovovacích frekvencí působí značné obtíže.

Rovněž to vysvětluje energetickou nenáročnost displejů mirasol (přesouvají se pouze malé hmoty na krátké vzdálenosti), a to i ve srovnání s jinými technologie elektronického papíru (o displejích vyžadujících podsvícení ani nemluvě), díky tomu ani při zobrazování videa spotřeba příliš nevzroste.

Ale tím ještě výčet předností technologie mirasol nekončí (skoro to vypadá, že nabízí jenom „ samá pozitiva a sociální jistoty“). IMOD prvky se vyrábějí z anorganických materiálů, jež by měly být trvanlivější než organické materiály užívané většinou ostatních displejů (například kapalné krystaly v LCD displejích a zejména pak organické diody OLED panelů), nijak zvlášť jim nevadí ani extrémní teploty nebo ultrafialové záření (obsažené ve slunečním svitu). A podle Qualcommu jsou také velmi houževnaté mechanicky, v testech údajně vydržely 12 miliard zobrazovacích cyklů.

Výroba displejů mirasol má být levná a snadná

A poměrně snadná by měla být též výroba displejů mirasol, výrobní proces využívající litografického nanášení filmů kovů a oxidů kovů je jednodušší než výroba TFT matic LCD displejů, navíc půjde do značné míry použít stávající výrobní infrastruktura pro ploché zobrazovací panely.

Proto se předpokládá, že první čtečky s barevnými panely mirasol budou stát zhruba stejně jako srovnatelné přístroje konkurence, do budoucnosti mají ovšem větší potenciál pro zlevňování, zvlášť kdyby se rozběhla hromadná výroba.

Technologie mirasol působí skutečně velice slibně

Zobrazovací technologie Qualcommu vypadá opravdu hodně slibně, avšak stále se nedá vyloučit, že ještě narazí na nějaké nečekané potíže. Historii informačních technologií lemuje rozsáhlý hřbitov spousty kdysi slibných technologií, na mnohé z nich si jistě pamatují i naši čtenáři. (Abychom zůstali u zobrazovacích technologií, připomeňme si aspoň SED displeje).

Technologie mirasol se však zatím zdá mít všechny předpoklady k úspěchu (musíme se ovšem spoléhat pouze na informace Qualcommu, který pochopitelně zdůrazňuje jenom přednosti svého řešení), nabízí zjevné výhody, zřejmě nebude výrobně náročnější než stávající zobrazovací technologie a podporují ji bohatí rodiče. Ale i když vše půjde hladce, tak si vývoj zařízení užívajících panely mirasol vyžádá nějaký čas a též samotný náběh výroby chvíli potrvá, s konkrétními produkty tak lze počítat až koncem příštího roku a v širším měřítku se nejspíš objeví teprve v roce 2011.

A proto není divu, že tato technologie zatím stojí stranou pozornosti většiny médií, jež se pochopitelně zaměřují spíše na produkty, co se dostanou na trh v nejbližší budoucnosti a počátkem příštího roku se čeká hned několik nových elektronických čteček.

Dočkáme se zcela nového typu kapesních přístrojů?

Avšak technologie mirasol, prosadí-li se, by mohla přinést zásadní změny celého tohoto odvětví. Dosavadní displeje E-Ink se hodí jen pro specializované čtečky, zatímco panely mirasol jsou použitelné univerzálně, výše zmíněný 5,7” XGA panel by se jistě dobře uplatnil v mnoha dalších kapesních a přenosných přístrojích, včetně dnes tak populárních netbooků.

Zvlášť zajímavé by však bylo spojení tohoto displeje s takzvanými smartbooky, netbooky užívajícími procesory ARM, jež dnes už poskytují poměrně vysoký výkon při velmi nízké spotřebě energie (používají je téměř všechny dnešní chytré telefony jako iPhone, Palm Pre nebo přístroje se systémem Android).

V této souvislosti stojí za pozornost, že právě Qualcomm dodává čip Snapdragon, v současnosti asi nejvýkonnější čip pro chytré telefony a smartbooky (hlavní procesor pracuje na frekvenci 1 GHz a čip zahrnuje spoustu dalších podpůrných obvodů). Ovšem v době příchodu displejů mirasol na trh už nejspíš bude dostupná nová verze tohoto čipu, nepochybně ještě výkonnější (mohl by například používat vícejádrový procesor).

Když se k tomu přidají ještě čipy pro rychlou mobilní datovou komunikaci, tak to vypadá, že Qualcomm má pohromadě všechny základní stavební prvky zcela nových kapesních přístrojů, kombinujících možnosti specializovaných elektronických čteček, PDA a chytrých telefonů. Budou ovšem potřebovat též vhodný software, zatím se jako nejnadějnější jeví operační systém Android Googlu, v tomto směru se však může ještě hodně změnit.

Samozřejmě si lze představit mnohá další zajímavá využití displejů mirasol, avšak jejich realizace závisí na tom, zda se téhle technologii opravdu podaří se prosadit. Za rok bychom už měli být moudřejší, to snad již budou na trhu první skutečné produkty, anebo naopak mirasol skončí v oddělení křemíkového nebe vyhrazeném slibným technologiím, které se neuchytily.