[발언] ⑧'HDMI 2.1-DP 2.1-USB-C(USB4)'에 대한 문제와 과제

[이군배]

'HDMI-DisplayPort-USB-C'에 대한 특별 연재→⑧

8.'HDMI 2.1-DP 2.1-USB-C(USB4)'에 대한 문제와 과제

1)'HDMI 2.1-DP 2.1-USB-C(USB4)'에 대한 문제

HDMI 2.1 문제(한계)	DP 2.1 문제(한계)	USB-C(USB4) 문제(한계)
*표준 규격이 6가지나 되어, 같은 HDMI 2.1이라고 해도, 역호환성 문제가 발생하고 있다. *8K/120Hz를 상용화하지 못하고 있다.	*표준 규격이 3가지나 되어, 같은 DP 2.1이라고 해도, 역호환성 문제가 발생하고 있다. *온전한 DP 2.1을 지원하는 모니터가 없다.	*DP 2.1이 온전하게 상용화되지 못하면서, DP 2.1 Alt Mode가 상용화 되지 못하고 있다. *인증된 USB-C 케이블 길이가 짧고(1~2m), 가격도 10만원 전후로 고가다.

☞HDMI 2.1 기능에 대하여...
요즘 TV들을 보면, 상당수가 VRR, ALLM, eARC와 같은 HDMI 2.1 기능지원을 내세우고 있지만, HDMI 2.1 7가지 기능 중, DSC를 제외한 나머지 6가지 기능은, HDMI 2.0에서 폼웨어 업데이트만으로도 지원이 가능하지만, 제조사들은, HDMI 2.1 기능을 신제품에서만 지원하여 업데이트로는 거의 지원하지 않고 있다.

▶HDMI 2.1 기능

*동적 HDR(High Dynamic Range)   Dynamic HDR	HDMI 2.0에서 이미 지원
*향상된 오디오 리턴 채널(eARC)   Enhanced Audio Return Channel	TV에서 재생하는 Dolby Atmos 또는 DTS:X와 같은 음향을, (HDMI)AV리시버나 사운드 바로 전달→OTT세톱박스가 Dolby Atmos 또는 DTS:X를 지원하면, eARC는 없어도 무방 HDMI 2.0으로 구현 가능
*변동 재생률(VRR)   Variable Refresh Rate	게임 HDMI 2.0으로 구현 가능
*빠른 미디어 전환QMS)   Quick Media Switching	효율성이 크지 않음 HDMI 2.0으로 구현 가능
*빠른 프레임 전송(QFT)   Quick Frame Transport	게임/VR HDMI 2.0으로 구현 가능
*자동 저 대기 시간 모드(ALLM)   Auto Low Latency Mode	게임 HDMI 2.0으로 구현 가능
*압축 전송(DSC)   Display Stream Compression	HDMI 2.1에서만 가능 온전한 DSC 적용이 안 되거나 일부 제품에 제한적으로 적용
※위 HDMI 2.1 7가지 기능 중, DSC를 제외한 나머지 6가지 기능은, HDMI 2.0에서 폼웨어 업데이트만으로도 지원이 가능하지만, 제조사들은, HDMI 2.1 기능을 신제품에서만 지원하여 업데이트로는 거의 지원하지 않고 있다.

2)'HDMI 2.1-DP 2.1-USB-C(USB4)'를 넘어서는 통합된 차기 인터페이스
→240/231Gbps까지 전송이 가능한 새로운 차세대 '인터페이스’

HDMI 2.1(CTA-861)은, 120Hz이상의 주사율을 지원하지 못하고, 32:9 화면비나 16K 해상도엔 대응조차 하지 못해, TV를 게임용으로 출시한다는 것 자체가 넌센스다. 특히 HDMI 2.1 전송 규격이 6가지나 되어, 역호환성 문제까지 있어, 이제는 전송량과 주사율을 획기적으로 늘리지 않는 이상, HDMI 2.1은 더 이상 무의미한 인터페이스가 되고 있다.
 
즉, HDMI 2.1은, 무 압축으로 최대 4K/120Hz, 10bit/4:4:4 내지는 8K/60Hz, 10bit/4:2:0까지 밖에 전송을 못한다. 물론 압축전송(DSC)을 지원하면, 이론적으로는 10K/120Hz, 10bit/4:2:2까지도 전송은 가능하지만, 현재 상용화된 HDMI 2.1은 8K/60Hz까지밖에 지원을 못한다.

해서 일각에서는 HDMI 2.1 대신 80Gbps 전송량을 보낼 수 있는 DisplayPort 2.1 내지는 USB-C(USB4 v2.0)를 사용하자는 대안도 나오고 있지만, 그렇다고 DisplayPort 2.1 내지는 USB-C(USB4 v2.0)를 적용한다고 해서, 부족한 해상도(8K~)와 주사율(240Hz~) 문제를 원천적으로 해소해 주지는 못한다. 해서 이참에 HDMI 2.1을 비롯하여, DisplayPort 2.1까지 모두 수용(통합)이 가능한 새로운 차세대 인터페이스를 만드는 것도 바람직하지 않을까 한다.
 
새로운 차세대 인터페이스의 기본 골격은, 빠른 상용화를 위해 현재 상용화 되고 있는 USB-C(USB4 v2.0/Thunderbolt 5)를 기반(라인당 40Gbps)으로 해도 될 것으로 보인다.

즉, 영상 전송은, 재생기에서 디스플레이 한쪽방향으로만 신호를 보내면 되기 때문에, USB4 v2.0에서 사용하는 3/4(수신) 라인을 송신으로 바꾸어 사용하고, USB 2.0과의 호환성을 위해 사용하는 2라인을 초고속 송신라인으로 사용하면 총 6라인을 초고속 전송라인으로 사용할 수 있어, 라인당 40Gbps x 6Lane = 240Gbps의 전송량을 가질 수 있다(아래 이미지 참조).
 
이때 코딩체계는, DisplayPort 2.1 또는 USB-C(USB4 v2.0)처럼 128b/132b를 사용하면, 실 데이터전송량은 최대 232.104Gbit/s까지 전송이 가능하여, 무 압축으로 4K/480Hz, 12bit/RGB(4:4:4)는 물론 10K/120Hz, 12bit/RGB(4:4:4)까지도 전송이 가능하다. 물론 여기에 압축전송(DSCx3.75)을 적용하면, 8K/480Hz, 12bit/RGB(4:4:4)는 물론 16K/120Hz, 12bit/RGB(4:4:4)까지도 전송이 가능하다.

▶USB-C, PIN별 기능→변환

핀No	이름	기능	핀No	이름	기능
A1	GND	접지(Ground)	B12	GND	접지(Ground)
A2	TX1+	초고속1 Tx	B11	RX1+	초고속4 Rx→Tx
A3	TX1-	초고속1 Tx	B10	RX1-	초고속4 Rx→Tx
A4	VBUS	전원(DC 5V)	B9	VBUS	전원(DC 5V)
A5	CC1	전력공급 통신선 핀 구성 감지 USB-PD(충전/~240W)	B8	SBU2	보조라인
A6	D+	USB ~2.0→초고속5 Tx	B7	D-	USB ~2.0→초고속6 Tx
A7	D-	USB ~2.0→초고속5 Tx	B6	D+	USB ~2.0→초고속6 Tx
A8	SBU1	보조라인	B5	CC2	전력공급 통신선 핀 구성 감지 USB-PD(충전/~240W)
A9	VBUS	전원(DC 5V)	B4	VBUS	전원(DC 5V)
A10	RX2-	초고속3 Rx→Tx	B3	TX2-	초고속2 Tx
A11	RX2+	초고속3 Rx→Tx	B2	TX2+	초고속2 Tx
A12	GND	접지(Ground)	B1	GND	접지(Ground)

▶USB-C(USB4 v2.0)를 기반(라인당 40Gbps)으로 하는 새로운 USB-C(USB5)

▶인터페이스(I/F)별 전송량 및 차기 인터페이스(I/F) 전송량

인터페이스(I/F)	HDMI 2.1	DP 2.1	USB-C (USB4 v2.0)	New USB-C (USB5)
사용 라인(Lane)	4	4	2/3	6
라인당 최대 전송량	12	20	40	40
총 전송량(최대)	48	80	80/120	240
※차세대 인터페이스는 USB4 v2.0을 기반(호환)으로 하기 때문에, 기존 3라인에 추가로 3라인을 더 늘려 총 6라인을 사용하는 방안이다. 해서 현재 상용화 되고 있는 USB4 v2.0을 기반으로 하있기 때문에, 기술적으로 구현하는데 있어 큰 어려움은 없을 것으로 보인다. 즉, 영상 전송은, 재생기에서 디스플레이로 한쪽으로만 신호를 보내면 되기 때문에, USB4 v2.0에서 사용하는 3/4(수신) 라인을 송신으로 바꾸어 사용하고, USB 2.0과의 호환성을 위해 사용하는 2라인을 초고속 송신라인으로 사용하면 총 6라인을 초고속 전송라인으로 사용할 수 있어, 라인당 40Gbps x 6Lane = 240Gbps의 전송량을 가질 수 있다. 특히 차세대 인터페이스는(USB5/가칭), 현재 사용화 되고 있는 USB4 v2.0 기술에 일부 기능만 업한 것이기 떄문에, 제조사들이 마음만 먹으로 1~2년 안에도 상용화가 가능할 것으로 보인다.

그럼 위와 같은 차세대 인터페이스를 상용화 하는데 있어 문제는 없는 것일까? 물론 위 제안이 이론적으로는 가능하다고 해도, 실제 기술적으로 적용하기는 쉽지 않을 수도 있다. 그렇지만, 이 제안이 현재 사용화 되고 80/120Gbps의 전송량을 갖는 USB4 v2.0의 USB4 v2.0 기술에 일부 기능만 업한 것이기 떄문에, 결코 비현실적이지많은 않다는 걸 알 수 있을 것이다.

오히려 우려가 되는 것은, USB-C(USB4 v2.0) 케이블 전송 거리가 2m이상을 넘지 못하고 있고, 케이블 품질이 고급화 되어야만 하기 때문에, 케이블 가격이 10만원 전후는 되어야 하지 않을까 싶다. 그다음 문제가 되는 것은 기존 HDMI나 DisplayPort와의 호환성을 위해, 별도의 변환 잰더를 사용해야 한다는 불편함이 있을 것이다.
 
하지만, TV에 USB-C(USB5)가 적용이 된다면, 스마트폰이나 기타 다른 IT기기를 TV랑 연동할 수도 있고, TV 화면에 터치 기능을 내장한다면, TV를 스마트폰처럼 제어할 수 있어, TV를 한 단계 업그레이드 해줄 수도 있을 것이다. 8K용으로 만들어진 HDMI 2.1이, 제대로 성능을 내지 못해, 4K용으로 주로 사용이 되면서, 우리는 HDMI 2.1의 한계를 극명하게 느꼈다.
 
특히 TV가 OLED를 넘어 Micro LED까지, 디스플레이 화질 구현 능력이 이제는 자연색(16bit)에 가까워지고 있는데, HDMI 2.1이 10bit에 그것도 4:2:0까지밖에 전송을 못한다는 것은 분명 문제가 있다. 해서 이젠 TV에 내장된 HDMI 2.1도 디스플레이의 발전에 맞게 , 인터페이스(I/F) 성능을 획기적으로 향상시켜야만, 지금의 TV도 살고, 차세대 Micro LED TV도 빛이 날 것이다.