如何解決移動(dòng)視頻領(lǐng)域的能效問(wèn)題？
約翰.弗萊 2010/07/08
移動(dòng)視頻需求正呈爆炸式增長(zhǎng)。隨著人們對(duì)于隨時(shí)隨地的多媒體訪(fǎng)問(wèn)需求的日益迫切，TV隨地接收服務(wù)隨之應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)于服務(wù)提供商來(lái)說(shuō)，這是好事，他們正希望為其產(chǎn)品組合增加新的消費(fèi)者應(yīng)用；但與此同時(shí)，這對(duì)支持基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備提出一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，更不用說(shuō)潛在的難題了：處理來(lái)自媒體網(wǎng)關(guān)的視頻所需的性能必須滿(mǎn)足低功耗的要求，以便不會(huì)給基礎(chǔ)設(shè)施造成過(guò)重的負(fù)擔(dān)，但同時(shí)又一定要滿(mǎn)足成本控制和可持續(xù)性的要求。
新處理器和流媒體架構(gòu)在視頻轉(zhuǎn)換編碼實(shí)現(xiàn)方面優(yōu)勢(shì)明顯——與當(dāng)今基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備常用的處理器技術(shù)相比，一些新產(chǎn)品的功率/密度比提高了15倍之多，可幫助打造高性能、低功耗的移動(dòng)視頻平臺(tái)解決方案。
移動(dòng)視頻與TV隨地接收服務(wù)的發(fā)展
在2009年下半年，據(jù)一些市場(chǎng)分析顯示，YouTube平均每日處理約10億個(gè)視頻訪(fǎng)問(wèn)。而在2008年，該數(shù)字尚為600萬(wàn)。更有報(bào)告指出，到2015年，將有120億臺(tái)設(shè)備(包括電視、臺(tái)式電腦、筆記本、上網(wǎng)本和智能電話(huà))訪(fǎng)問(wèn)5,000億小時(shí)的視頻信息。(來(lái)源：英特爾)。到2013年，移動(dòng)視頻電話(huà)的保有量將達(dá)到4億部(來(lái)源：訊泰)。在2012年，視頻將占所有互聯(lián)網(wǎng)流量的90％；在2013年，視頻將占所有移動(dòng)通信流量的70％(來(lái)源：思科)。很明顯，人們對(duì)于廣泛的且易于訪(fǎng)問(wèn)的視頻內(nèi)容有著巨大的消費(fèi)需求，且該需求正與日劇增。為滿(mǎn)足這種需求并保持訪(fǎng)問(wèn)的易用性，用于處理和交付這種視頻內(nèi)容的服務(wù)器、視頻流和媒體網(wǎng)關(guān)的數(shù)量都必須伴隨處理工作負(fù)荷的激增而呈指數(shù)倍地?cái)U(kuò)充。與聲音信號(hào)和其它典型的互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容相比，視頻需要更高量級(jí)的處理能力，尤其當(dāng)視頻被傳送到各種類(lèi)型的瀏覽客戶(hù)端設(shè)備上時(shí)更是如此。當(dāng)然，處理能力的提高也意味著能耗的增加。
視頻編碼轉(zhuǎn)換是此類(lèi)處理負(fù)載中的主要部分，結(jié)合上述增長(zhǎng)，此項(xiàng)任務(wù)引發(fā)了巨大的潛在能耗增長(zhǎng)，這對(duì)已有的基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成了很大的壓力。
對(duì)視頻轉(zhuǎn)換編碼的需求
待分發(fā)的視頻來(lái)自各種捕捉設(shè)備，它們具備不同的分辨率和編碼能力。例如，應(yīng)用MPEG4編碼的CIF智能電話(huà)或者應(yīng)用H.264編碼的720像素可攜式攝像機(jī)都可以作為捕捉設(shè)備。同樣，用于接收視頻的客戶(hù)端設(shè)備也具備不同的解碼能力(解碼能力因設(shè)備的功能或處理器的周期數(shù)不同而有所差異)，例如，QCIF H.263蜂窩電話(huà)、解碼高清H.264的高端筆記本電腦。將視頻上傳到網(wǎng)絡(luò)上播放和/或存儲(chǔ)，其目的是希望任何人都能夠觀(guān)看，然而，現(xiàn)在還缺乏剛性或通用的視頻交換標(biāo)準(zhǔn)。為滿(mǎn)足這一目的， 視頻分發(fā)和網(wǎng)路服務(wù)提供商必須提供透明的編碼轉(zhuǎn)換功能。
視頻轉(zhuǎn)換編碼：在任一視頻客戶(hù)端與任一視頻源之間建立連接
此外，人們對(duì)視頻傳送的期望已變成要求實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻傳送，而無(wú)需先將部分或整個(gè)視頻文件下載到客戶(hù)端設(shè)備的緩存器中，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)電視和監(jiān)視系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤其如此。這種實(shí)時(shí)傳送需求加大了視頻傳送系統(tǒng)的負(fù)荷，同時(shí)，也增加了能耗。
編碼轉(zhuǎn)換/流媒體平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)
長(zhǎng)期以來(lái)，音頻編碼轉(zhuǎn)換設(shè)備一直是網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備之一，它通常借助基于DSP的專(zhuān)用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，視頻編碼轉(zhuǎn)換的情況卻并非如此。通常，編碼轉(zhuǎn)換和流媒體直播視頻設(shè)備均基于標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器平臺(tái)之上，在接近視頻存儲(chǔ)位置的環(huán)境中尤其如此。這主要是由于大多數(shù)視頻傳輸服務(wù)都是基于互聯(lián)網(wǎng)的(即使絕大多數(shù)的瀏覽客戶(hù)端都是手機(jī))。這意味著大多數(shù)視頻編碼轉(zhuǎn)換功能都是由基于服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施完成的。因此，由戴爾、惠普等公司提供的x86服務(wù)器平臺(tái)對(duì)視頻編碼轉(zhuǎn)換來(lái)說(shuō)非常通用。此外，一旦利用x86平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了基線(xiàn)流視頻能力，生產(chǎn)商和視頻服務(wù)提供商就會(huì)普遍希望擴(kuò)展其產(chǎn)品的功能，以便包含直播對(duì)等視頻通訊和視頻會(huì)議功能。
x86在視頻轉(zhuǎn)換編碼中的廣泛使用還有其它原因。舉例來(lái)說(shuō)，隨著視頻需求的增長(zhǎng)，有能力提供轉(zhuǎn)換編碼設(shè)備的人越來(lái)越多，但并不是每個(gè)人都有可用的視頻CODEC IP或者有所需的經(jīng)驗(yàn)和資源。而市場(chǎng)中有大量支持x86的開(kāi)放源編解碼器。此外，希望提供視頻服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商都已配備好x86設(shè)備。這樣，視頻編解碼器和x86硬件設(shè)備的易得性使得x86大行其道，然而它在解碼轉(zhuǎn)換方面的效率卻極其低下。
因?yàn)閤86是通用處理器，因此可應(yīng)用于許多場(chǎng)合，但其功耗非常高。
與功耗有關(guān)的問(wèn)題
對(duì)于大多數(shù)的使用者來(lái)說(shuō)，功耗相關(guān)的問(wèn)題是顯而易見(jiàn)的。通常，當(dāng)擴(kuò)建新的視頻分發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，以下三個(gè)與能耗相關(guān)的問(wèn)題會(huì)被考慮：
(1)運(yùn)行成本：就功耗而言，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是每千瓦小時(shí)的電費(fèi)。一個(gè)解決方案需要的功耗越高，它的運(yùn)行成本就越高，不但包括處理成本，還包括冷卻成本。
(2)可擴(kuò)展性：機(jī)架空間是一項(xiàng)成本負(fù)擔(dān)資源，能夠根據(jù)規(guī)劃好的通道密度的增長(zhǎng)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)充，而不帶來(lái)額外的空間和冷卻成本，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵。更低的功耗意味著更密集配置的系統(tǒng)和更小規(guī)模的冷卻資源。
(3)可靠性：熱耗直接由散熱系統(tǒng)排放，所以需要主動(dòng)冷卻的散熱解決方案。對(duì)固體元件、設(shè)備機(jī)箱和支架的主動(dòng)冷卻會(huì)將整個(gè)系統(tǒng)的可靠性降低到最脆弱的機(jī)械冷卻元件所代表的可靠性水平。
除此之外，隨著環(huán)境責(zé)任和社會(huì)責(zé)任被業(yè)界廣泛接受，功耗問(wèn)題正變得越發(fā)突出， 這一點(diǎn)相信已無(wú)需多言。
為解決這些問(wèn)題，系統(tǒng)中最耗能的資源，即x86處理器提供的編碼轉(zhuǎn)換資源，就需要有大幅地提升能效。另一種解決方法是選擇一個(gè)全然不同的處理器。
可供選擇的節(jié)能辦法
針對(duì)音頻和視頻應(yīng)用，目前市場(chǎng)上有很多新的低功率多核數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，可根據(jù)通道處理密度自由擴(kuò)展，從而部署到從低密度的訪(fǎng)問(wèn)節(jié)點(diǎn)到高密度的核心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。
這些DSP建立在采用高能效異步處理器的內(nèi)在節(jié)能架構(gòu)之上。節(jié)能源自?xún)?nèi)核的異步設(shè)計(jì)。通過(guò)消除處理器內(nèi)核中的時(shí)鐘和同步寄存器，轉(zhuǎn)而采用更簡(jiǎn)單的邏輯同步方法，異步設(shè)計(jì)帶來(lái)了以下三方面改變：
(1)縮小了DSP內(nèi)核的硅面積；
(2)清除了時(shí)鐘和寄存器的電源和配線(xiàn)；
(3)綜合以上兩項(xiàng)的改變可進(jìn)一步降低了能耗。
上述改變的直接結(jié)果便是打造出全新的高性能設(shè)備以完成編碼轉(zhuǎn)換, 其可完成高達(dá)20 CIF或者70 QCIF的視頻流或多達(dá)480條聲音通道。這一通道密度水平對(duì)應(yīng)的功率卻不超過(guò)1.9瓦特。
將這一密度與標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器級(jí)x86處理器的密度進(jìn)行對(duì)比。處理/功率平衡的上限為大約150瓦特時(shí)，一個(gè)純x86架構(gòu)的典型QCIF編碼轉(zhuǎn)換密度約為150個(gè)視頻流。即便考慮向系統(tǒng)內(nèi)增加DSP資源的實(shí)施細(xì)節(jié)，可能的能效增益也是相當(dāng)大的。
視頻轉(zhuǎn)換編碼：在任一視頻客戶(hù)端與任一視頻源之間建立連接
未來(lái)的發(fā)展
為應(yīng)對(duì)可預(yù)見(jiàn)的、不斷增長(zhǎng)的移動(dòng)視頻服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)視頻服務(wù)需求，DSP設(shè)計(jì)者、視頻服務(wù)器、流轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)關(guān)制造商必須致力于開(kāi)發(fā)新的高能效移動(dòng)視頻平臺(tái)范式。新平臺(tái)的設(shè)計(jì)必須能夠滿(mǎn)足視頻編碼轉(zhuǎn)換處理的高要求，同時(shí)保持足夠的靈活性，以應(yīng)對(duì)不斷變化的視頻解決方案、幀頻和編解碼標(biāo)準(zhǔn)。這種新范式不僅為視頻編碼轉(zhuǎn)換設(shè)備制造商提供了替代高耗能x86處理器的新選擇，而且對(duì)于已經(jīng)認(rèn)識(shí)到換掉x86必要性的使用者而言，還為他們提供了一種可以代替標(biāo)準(zhǔn)DSP的節(jié)能替代方案。
盡管換到新處理器會(huì)令人怯步，但它能帶來(lái)的好處卻是突破性的。例如，與典型的服務(wù)器級(jí)的雙四核Xeon相比，新一代DSP能夠非常容易地在不提高能耗的前提下，將通道密度提高15倍。另外，在不降低通道密度的前提下，相同的能效能將功率減小60%以上。
將這些處理器部署在視頻編碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中之后，能效的益處會(huì)立刻在系統(tǒng)中體現(xiàn)出來(lái)，并能夠極大地降低運(yùn)營(yíng)成本、提高通道密度等級(jí)和可擴(kuò)展性、提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
想象一下，這些使用了新型低功率、高性能的DSP的設(shè)備制造商可以進(jìn)一步將這些能效優(yōu)勢(shì)擴(kuò)大到他們的最終消費(fèi)者身上。能耗的降低和通道密度的增加意味著在一個(gè)大幅縮減的面積上能夠放置更多的編碼轉(zhuǎn)換部件。即便功率密度增益只達(dá)到10倍(保守估計(jì))，即可將實(shí)際部署中所需的服務(wù)器總數(shù)降至原來(lái)的十分之一；因此，節(jié)能潛力 不可估量(基于完整的服務(wù)器能耗)。
除了有形的、可衡量的益處之外，能夠生產(chǎn)更高能效的產(chǎn)品也是整個(gè)行業(yè)的共同目標(biāo)——為了可持續(xù)性、成本可控和客戶(hù)滿(mǎn)意。
電子工程專(zhuān)輯
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