HDMIの帯域幅はどのように機能するか？

HDMI（High-Definition Multimedia Interface）は、高速シリアルデータチャンネルのセットを通じて映像と音声データを伝送します。HDMI バージョン1.0から2.0では、3つのTMDS（Transition-Minimized Differential Signaling）データチャンネルがピクセルデータを搬送し、別途クロックチャンネルが設けられています。HDMI 2.1以降では、インターフェースがFRL（Fixed Rate Link）モードに切り替わり、4つのデータチャンネルとより効率的なエンコード方式を採用することで、利用可能な帯域幅が大幅に増加しています。

エンコードのオーバーヘッドにより、生の伝送レートは使用可能なデータレートと等しくなりません。TMDSベースのHDMIバージョンでは8b/10bエンコードを使用しており、10ビットの伝送で実際のデータは8ビットしか運ばれません（効率80%）。HDMI 2.1および2.2では16b/18bエンコードを使用し、リンク層のオーバーヘッドを考慮した実効効率は87.5%です。この結果として得られるデータレートが、接続が1秒間に配信できるピクセル数を決定します。

特定の解像度とリフレッシュレートの組み合わせが実現可能かどうかは、HDMIバージョンのデータレート、カラーフォーマット（RGB、YCbCr 4:4:4、4:2:2、または4:2:0）、および色深度（コンポーネントあたりのビット数）によって異なります。高解像度、高リフレッシュレート、豊かな色彩はいずれも多くの帯域幅を必要とします。これらの制限を理解することで、HDMIポートが完全に駆動できないモニターやケーブルを購入するミスを防ぐことができます。

ツールの説明

このカリキュレーターは、HDMIバージョン、解像度、カラーフォーマット、色深度の任意の組み合わせに対して最大リフレッシュレートを算出します。一般的なリフレッシュレート（60、120、144、165、240、360 Hz）の実現可能性テーブルを表示し、各レートがサポートされているかどうか、および利用可能な帯域幅の何パーセントを消費するかを示します。すべての計算には公式のHDMI仕様のデータレートが使用され、CVT-RBv2ブランキングインターバルのオーバーヘッドも含まれています。

動作の仕組み

カリキュレーターは以下の手順で処理を行います：

  1. 利用可能なデータレートの参照：各HDMIバージョンには仕様で定められた固定の最大データレートがあります — 3.96 Gbit/s（HDMI 1.0）から84.0 Gbit/s（HDMI 2.2）まで
  2. ピクセルあたりのビット数の計算：色深度（コンポーネントあたりのビット数）に、選択したカラーフォーマットのコンポーネント数を掛けます — RGBおよびYCbCr 4:4:4は3、YCbCr 4:2:2は2、YCbCr 4:2:0は1.5
  3. フレームあたりの総ピクセル数の計算：アクティブ解像度にCVT-RBv2ブランキングインターバル（水平80、垂直58）を加算します
  4. 最大リフレッシュレートの計算：利用可能なデータレートをフレームあたりに必要なビット数で割ります

$$\text{最大Hz} = \frac{\text{データレート（HDMIバージョン仕様より）}}{(\text{幅} + 80) \times (\text{高さ} + 58) \times \text{BPC} \times \text{コンポーネント数}}$$

HDMIバージョン比較

HDMIバージョン 総帯域幅 データレート チャンネル数 エンコード
1.0–1.2a 4.95 Gbit/s 3.96 Gbit/s 3 (TMDS) 8b/10b (80%)
1.3–1.3a 10.2 Gbit/s 8.16 Gbit/s 3 (TMDS) 8b/10b (80%)
1.4–1.4b 10.2 Gbit/s 8.16 Gbit/s 3 (TMDS) 8b/10b (80%)
2.0–2.0b 18.0 Gbit/s 14.4 Gbit/s 3 (TMDS) 8b/10b (80%)
2.1–2.1b 48.0 Gbit/s 42.0 Gbit/s 4 (FRL) 16b/18b (87.5%)
2.2 96.0 Gbit/s 84.0 Gbit/s 4 (FRL) 16b/18b (87.5%)

使用例

4K 120 Hz、8ビットRGBの場合：

  • 約17.81 Gbit/sのデータレートが必要
  • HDMI 2.0（14.4 Gbit/s）では不足 — HDMI 2.1（42.0 Gbit/s）が必要
  • 多くの4K 120 HzモニターやテレビがHDMI 2.1ポートを必要とする理由はここにあります

4K 60 Hz、10ビットHDR（RGB）の場合：

  • 約11.14 Gbit/sが必要
  • HDMI 2.0（14.4 Gbit/s）は77%の使用率で対応可能
  • HDMI 1.4（8.16 Gbit/s）では対応不可 — 旧世代のHDRディスプレイでよく見られる問題点

8K 60 Hzの場合：

  • 8 bpc RGBで約71.24 Gbit/sが必要
  • 圧縮なしでネイティブ駆動できるのはHDMI 2.2（84.0 Gbit/s）のみ

オプションの説明

  • HDMIバージョン — 利用可能な最大データレートを決定します。HDMI 1.0〜2.0はTMDSシグナリングで3チャンネルを使用し、HDMI 2.1以降はFRLで4チャンネルとより効率的なエンコードを使用します
  • 解像度 — 一般的なプリセット（720pから8K、ウルトラワイドを含む）から選択するか、ピクセル単位でカスタム解像度を入力します
  • カラーフォーマット — RGBおよびYCbCr 4:4:4は帯域幅をフルに使用し、YCbCr 4:2:2は約33%少なく、YCbCr 4:2:0は約50%少なくなります。なお、YCbCr 4:2:0はHDMI 2.0以降で公式にサポートされています
  • 色深度 — カラーコンポーネントあたりのビット数：8 bpc（標準）、10 bpc（HDR）、12 bpc（ディープカラー）、または16 bpc。HDMI 1.0〜1.2aはYCbCr 4:2:2のみでディープカラーをサポートし、16 bpcにはHDMI 1.3以降が必要です

機能

  • HDMI 1.0から2.2までの全バージョンを、仕様に準拠した正確なデータレートでカバー
  • 6つの一般的なリフレッシュレート（60、120、144、165、240、360 Hz）の実現可能性を帯域幅使用率（%）とともに計算
  • カスタム解像度およびウルトラワイドフォーマットを含む10種類の組み込みプリセットをサポート
  • すべての計算においてCVT-RBv2ブランキングオーバーヘッドを考慮
  • 出力にエンコード方式、データチャンネル数、ピクセルあたりのビット数を表示

活用シーン

  • テレビ・モニターの購入検討：購入前に、お使いのHDMIポートのバージョンが特定の4Kまたは8Kディスプレイを希望のリフレッシュレートで駆動できるかを確認
  • ゲーミング環境の構築計画：特に4K 120 Hzや1440p 144 Hzゲーミングにおいて、コンソールやGPUのHDMIバージョンが目標の解像度とリフレッシュレートをサポートしているか確認
  • HDRコンテンツ制作：プロフェッショナルな映像制作において、8ビットから10ビットまたは12ビットの色深度に切り替えた際の帯域幅への影響を把握