L’efficienza energetica nel video transcoding

DSP –

I nuovi Dsp ad alte prestazioni e bassa potenza apportano all’interno dei sistemi di transcodifica video, notevoli vantaggi in termini di potenza che si estendono oltre il sistema, offrendo costi di esercizio inferiori, livelli di densità di canale e scalabilità superiori.

La domanda per i contenuti video è esplosa. Poiché la richiesta di disponibilità di accesso multimediale, ovunque e sempre, continua a crescere, così la disponibilità dei servizi quali ad esempio la Tv ovunque, deve adeguarsi di conseguenza. È stata una fortuna per i fornitori di servizi, ansiosi di aggiungere nuove applicazioni per i clienti ai propri portfolio, ma ha anche dato luogo a una considerevole sfida per le apparecchiature dell’infrastruttura di supporto nonché a un potenziale compromesso: le prestazioni richieste dai media gateway per l'elaborazione di video devono essere abbinate a bassa potenza per non pesare sull'infrastruttura e per offrire sostenibilità e riduzione dei costi.
I progressi nell'implementazione della transcodifica video con nuovi processori alternativi e le architetture di streaming che la supportano, alcune delle quali possono offrire un reale guadagno di densità/potenza 15 volte superiore rispetto alla tecnologia dei processori utilizzati tipicamente nelle apparecchiature delle attuali infrastrutture, possono rappresentare parte della soluzione per assicurare piattaforme ad elevate prestazioni e bassa potenza per il video mobile.

L'espansione del video mobile e dei servizi Tv ovunque
Nella seconda metà del 2009, si è stimato uno streaming giornaliero di 1 miliardo di canali YouTube, dai 600 milioni nel 2008. Si prevede che entro il 2015, almeno 12 miliardi di dispositivi (Tv, desktop, laptop, netbook e smart phone) saranno connessi ai 500 miliardi di ore di video disponibili. Entro il 2013, saranno venduti 400 milioni di telefoni video mobile. Nel 2012, il 90% di tutto il traffico Internet sarà video e costituirà il 70% di tutto il traffico mobile nel 2013. Chiaramente vi è un'enorme richiesta, che cresce ogni giorno, di video ampiamente e facilmente accessibili. Per soddisfare questa domanda e semplificare l’accessibilità, i server, i streamer video e i media gateway che elaborano e generano tutti i video devono ora affrontare una crescita esponenziale nel carico di elaborazione. Il video richiede una potenza di elaborazione di un ordine di grandezza superiore, in particolare quando deve essere generato per diversi tipi di dispositivi client di visualizzazione, rispetto ai segnali audio e al contenuto Internet tipico. Ogni aumento della potenza di elaborazione naturalmente aumenta la potenza consumata. La transcodifica video rappresenta la parte principale del carico di elaborazione, e abbinata alla crescita descritta, comporta un considerevole aumento latente nella domanda di energia che può aumentare i requisiti sulle infrastrutture esistenti.

La necessità della transcodifica video
Il video da distribuire può essere acquisito da un'ampia gamma di dispositivi caratterizzati da diverse risoluzioni e possibilità di codifica. I dispositivi di acquisizione possono utilizzare diverse codifiche: ad es. la codifica Mpeg4 degli smart phone con risoluzione Cif o la codifica H.264 delle videocamere con risoluzione 720 p. Analogamente, i dispositivi client che ricevono il video sono dotati di innumerevoli possibilità di codifica, in termini di funzioni video dedicate o cicli processore disponibili, ad es. un cellulare con risoluzione Qcif che supporta la codifica H.263 o un laptop Pc in grado di decodificare mediante H.264 ad alta definizione. Il video, una volta in rete, deve permettere la visualizzazione in tempo reale o l’archiviazione: tutti devono poterlo visualizzare in assenza di standard di scambio video prefissati o comuni. Per soddisfare le aspettative, i fornitori dei servizi di rete e di distribuzione video devono quindi offrire funzionalità di transcodifica trasparenti. Inoltre, ci si aspetta sempre di più che il video venga distribuito in tempo reale senza dover attendere il download di una parte o dell'intero video in buffer sul dispositivo client, in particolare per le applicazioni di Tv Internet e sorveglianza. Questa richiesta di distribuzione in tempo reale aumenta ulteriormente il carico di elaborazione nei sistemi di distribuzione video e naturalmente contribuisce alla crescita nella domanda di energia.

Architettura delle piattaforme di transcodifica/streaming
Tradizionalmente le apparecchiature di transcodifica audio erano collocate in prossimità del core della rete e realizzate con un hardware dedicato basato su Dsp. Ciò non vale per la transcodifica video. L'apparecchiatura tipicamente utilizzata per la transcodifica e lo streaming video in tempo reale si basa su piattaforme server standard, in particolare se in prossimità di punti di archiviazione video. Ciò si deve al fatto che una buona percentuale di servizi di distribuzione video si basa su Internet, sebbene una grande maggioranza di dispositivi client di visualizzazione siano mobili. Questo significa che la maggior parte delle funzioni di transcodifica video è a carico dell'infrastruttura Internet basata su server. Quindi, per la transcodifica video, si utilizzano spesso piattaforme server basate sui processori x86 di società quali Dell e HP. Inoltre, dopo aver ottenuto la funzionalità base di streaming video con piattaforme basate su x86, spesso i fornitori dei servizi video e i produttori desiderano espandere le funzioni dei prodotti per includere comunicazione video peer-to-peer in tempo reale e videoconferenze. Anche altri motivi concorrono all’ampio utilizzo di processori x86 per la transcodifica video. Ad esempio, poiché la domanda di video aumenta, aumenta continuamente il numero di fornitori di apparecchiature di transcodifica e non tutti sono in grado di disporre del codec IP video o possiedono la conoscenza e le risorse per produrlo in proprio. Sono disponibili diversi codec open source, naturalmente pronti per x86. Inoltre, i fornitori di servizi Internet che desiderano ora fornire servizi video dispongono già di apparecchiature basate su x86. L’ampia disponibilità di codec video e hardware basato su x86 rende l’x86 una piattaforma molto accessibile ma altamente inefficiente per la transcodifica. Gli x86 sono processori generici che presentano numerosi vantaggi a discapito dell'efficienza energetica.

Problemi correlati al consumo di potenza
I problemi correlati alla potenza sono per la maggior parte ovvi. Quando si sviluppa una nuova infrastruttura di distribuzione video si presentano tipicamente tre problemi correlati alla potenza.
•    Costi di esercizio: per il consumo di potenza si tratta semplicemente del costo per kWh. Maggiore è la potenza richiesta da una soluzione maggiori sono i costi di esercizio, non solo in termini di elaborazione ma anche di raffreddamento.
•    Scalabilità: lo spazio del rack è una risorsa importante dal punto di vista dei costi e la possibilità di espandere i sistemi, in termini di incrementi pianificati nella densità dei canali, senza aumentare l’ingombro e penalizzare il raffreddamento, è fondamentale. Una potenza minore equivale a sistemi più compatti e minori risorse di raffreddamento.
•    Affidabilità: la dissipazione di potenza si traduce direttamente in dissipazione di calore, che a sua volta richiede soluzioni di raffreddamento attive. Il raffreddamento attivo sui componenti allo stato solido, il telaio dell'apparecchiatura e il rack riducono l'affidabilità complessiva del sistema riportandola a quella dei componenti meccanici di raffreddamento più deboli.

Inoltre la potenza ha la massima priorità in questo settore, in termini di responsabilità sociale e ambientale. Per risolvere queste problematiche, le risorse che richiedono più potenza nel sistema, i processori basati su x86 di transcodifica, devono diventare decisamente più efficienti. In alternativa è possibile utilizzare un diverso processore.

Alternative ad alta efficienza energetica
Sono ora disponibili nuovi processori Dsp multi-core a bassa potenza per applicazioni audio e video, scalabili per densità dei canali che ne permettono lo sviluppo attraverso la rete da punti di accesso a densità inferiore a infrastrutture di reti core a densità superiore.
Questi Dsp si basano su un'architettura ad alta efficienza energetica che utilizza processori asincroni. L'efficienza energetica è garantita dalla struttura asincrona del core stesso. Evitando l’utilizzo di clock e registri di sincronizzazione nel core del processore e sostituendoli con metodi di sincronizzazione più semplici basati su logica si ottengono tre risultati:
•    l'area di silicio del core Dsp si riduce;
•    la potenza e il cablaggio dell'infrastruttura dei registri e dei clock sono eliminati;
•    gli effetti cumulativi di riduzione dell'area, poiché non si utilizza il clock, riducono ulteriormente la potenza.
Il risultato finale è un dispositivo ad alte prestazioni in grado di eseguire la transcodifica, ad esempio, di streaming video fino a 20 Cif o 70 Qcif, oppure fino a 480 canali audio. Questo livello di densità di canali si può ottenere con una potenza di 1,9 Watt. Confrontiamo questa densità con quella di un processore x86 per server standard. Con una potenza di circa 150 watt, la tipica densità di transcodifica Qcif è di circa 150 streaming video per una configurazione x86. Anche considerando i dettagli specifici per l'implementazione relativa all’aggiunta di risorse Dsp a un sistema, il vantaggio in termini di potenza ed efficienza rimane molto importante.

Il futuro nell’efficienza energetica
In risposta alla prevista e ovvia crescente domanda di servizi video mobile e basati su Internet, i progettisti di Dsp e i produttori di server, streamer e gateway video devono impegnarsi nello sviluppo di piattaforme per il video mobile ad alta efficienza energetica. La nuova piattaforma deve essere concepita sin dall'inizio per essere in grado di gestire gli elevati requisiti di elaborazione della transcodifica video e mantenere una flessibilità tale da adattarsi a risoluzioni video, frame rate e standard codec sempre variabili. I produttori attuali di apparecchiature di transcodifica video possono disporre di un'alternativa rispetto ai processori x86 ad alta potenza e persino un'alternativa ad alta efficienza energetica ai Dsp standard, comunque vantaggiosi rispetto ai processori x86. Sebbene il passaggio a un nuovo processore possa sembrare oneroso, i vantaggi sono di gran lunga superiori. Ad esempio, rispetto alla configurazione tipica con Xeon quad core doppio per server, i Dsp di nuova generazione possono facilmente migliorare di un fattore 15 la densità dei canali senza aumentare la dissipazione di potenza. In alternativa, a parità di efficienza, è possibile ridurre di oltre il 60% la potenza senza compromettere la densità dei canali. Grazie all’utilizzo di questi processori nei sistemi di transcodifica video, i vantaggi in termini di potenza si estendono oltre il sistema offrendo costi di esercizio inferiori, livelli di densità di canale e scalabilità superiori, oltre ad un miglioramento dell'affidabilità complessiva del sistema. I produttori di apparecchiature che utilizzano i nuovi Dsp a bassa potenza e alte prestazioni possono facilmente offrire i vantaggi relativi alla potenza ai clienti finali. Il guadagno per densità dei canali e potenza si traduce in una maggiore capacità di transcodifica con un'area decisamente inferiore. Anche la possibilità di ottenere un guadagno modesto per la densità di potenza, ad esempio pari a 10 volte, si traduce semplicemente in una riduzione di un fattore 10 per il numero totale di server necessari in un'applicazione reale; le possibilità di risparmio di potenza, in base alla dissipazione totale dei server, sono enormi. Oltre ai vantaggi misurabili e tangibili, la possibilità di offrire un prodotto a più alta efficienza energetica è un obiettivo comune a tutti i livelli del settore per la sostenibilità, per la riduzione dei costi e la soddisfazione del cliente.

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