解决移动视频领域的能效问题

Octasic公司

移动视频需求正呈爆炸式增长。随着人们对于随时随地的多媒体访问需求的日益迫切，TV随地接收服务随之应运而生。对于服务提供商来说，这是好事，他们正希望为其产品组合增加新的消费者应用；但与此同时，这对支持基础设施设备提出一个巨大的挑战，更不用说潜在的难题了：处理来自媒体网关的视频所需的性能必须满足低功耗的要求，以便不会给基础设施造成过重的负担，但同时又一定要满足成本控制和可持续性的要求。

新处理器和流媒体架构在视频转换编码实现方面优势明显——与当今基础设施设备常用的处理器技术相比，一些新产品的功率/密度比提高了15倍之多，可帮助打造高性能、低功耗的移动视频平台解决方案。

移动视频与TV随地接收服务的发展

在2009年下半年，据一些市场分析显示，YouTube平均每日处理约10亿个视频访问。而在2008年，该数字尚为600万。更有报告指出，到2015年，将有120亿台设备(包括电视、台式电脑、笔记本、上网本和智能电话)访问5,000亿小时的视频信息。(来源：英特尔)。到2013年，移动视频电话的保有量将达到4亿部(来源：讯泰)。在2012年，视频将占所有互联网流量的90％；在2013年，视频将占所有移动通信流量的70％(来源：思科)。很明显，人们对于广泛的且易于访问的视频内容有着巨大的消费需求，且该需求正与日剧增。为满足这种需求并保持访问的易用性，用于处理和交付这种视频内容的服务器、视频流和媒体网关的数量都必须伴随处理工作负荷的激增而呈指数倍地扩充。与声音信号和其它典型的互联网内容相比，视频需要更高量级的处理能力，尤其当视频被传送到各种类型的浏览客户端设备上时更是如此。当然，处理能力的提高也意味着能耗的增加。

视频编码转换是此类处理负载中的主要部分，结合上述增长，此项任务引发了巨大的潜在能耗增长，这对已有的基础设施构成了很大的压力。

对视频转换编码的需求

待分发的视频来自各种捕捉设备，它们具备不同的分辨率和编码能力。例如，应用MPEG4编码的CIF智能电话或者应用H.264编码的720像素可携式摄像机都可以作为捕捉设备。同样，用于接收视频的客户端设备也具备不同的解码能力(解码能力因设备的功能或处理器的周期数不同而有所差异)，例如，QCIF H.263蜂窝电话、解码高清H.264的高端笔记本电脑。将视频上传到网络上播放和/或存储，其目的是希望任何人都能够观看，然而，现在还缺乏刚性或通用的视频交换标准。为满足这一目的， 视频分发和网路服务提供商必须提供透明的编码转换功能。

视频转换编码：在任一视频客户端与任一视频源之间建立连接

此外，人们对视频传送的期望已变成要求实现实时视频传送，而无需先将部分或整个视频文件下载到客户端设备的缓存器中，对互联网电视和监视系统来说尤其如此。这种实时传送需求加大了视频传送系统的负荷，同时，也增加了能耗。

第二页：编码转换/流媒体平台体系结构+功耗问题

[p]

编码转换/流媒体平台体系结构

长期以来，音频编码转换设备一直是网络的核心设备之一，它通常借助基于DSP的专用硬件来实现。然而，视频编码转换的情况却并非如此。通常，编码转换和流媒体直播视频设备均基于标准服务器平台之上，在接近视频存储位置的环境中尤其如此。这主要是由于大多数视频传输服务都是基于互联网的(即使绝大多数的浏览客户端都是手机)。这意味着大多数视频编码转换功能都是由基于服务器的网络基础设施完成的。因此，由戴尔、惠普等公司提供的x86服务器平台对视频编码转换来说非常通用。此外，一旦利用x86平台实现了基线流视频能力，生产商和视频服务提供商就会普遍希望扩展其产品的功能，以便包含直播对等视频通讯和视频会议功能。

x86在视频转换编码中的广泛使用还有其它原因。举例来说，随着视频需求的增长，有能力提供转换编码设备的人越来越多，但并不是每个人都有可用的视频CODEC IP或者有所需的经验和资源。而市场中有大量支持x86的开放源编解码器。此外，希望提供视频服务的互联网服务提供商都已配备好x86设备。这样，视频编解码器和x86硬件设备的易得性使得x86大行其道，然而它在解码转换方面的效率却极其低下。

因为x86是通用处理器，因此可应用于许多场合，但其功耗非常高。

与功耗有关的问题

对于大多数的使用者来说，功耗相关的问题是显而易见的。通常，当扩建新的视频分发基础设施时，以下三个与能耗相关的问题会被考虑：

·运行成本：就功耗而言，简单来说就是每千瓦小时的电费。一个解决方案需要的功耗越高，它的运行成本就越高，不但包括处理成本，还包括冷却成本。

·可扩展性：机架空间是一项成本负担资源，能够根据规划好的通道密度的增长进行系统扩充，而不带来额外的空间和冷却成本，这一点非常关键。更低的功耗意味着更密集配置的系统和更小规模的冷却资源。

·可靠性：热耗直接由散热系统排放，所以需要主动冷却的散热解决方案。对固体元件、设备机箱和支架的主动冷却会将整个系统的可靠性降低到最脆弱的机械冷却元件所代表的可靠性水平。

除此之外，随着环境责任和社会责任被业界广泛接受，功耗问题正变得越发突出， 这一点相信已无需多言。

为解决这些问题，系统中最耗能的资源，即x86处理器提供的编码转换资源，就需要有大幅地提升能效。另一种解决方法是选择一个全然不同的处理器。

第三页：可供选择的节能办法

[p]

可供选择的节能办法

针对音频和视频应用，目前市场上有很多新的低功率多核数字信号处理器(DSP)，可根据通道处理密度自由扩展，从而部署到从低密度的访问节点到高密度的核心网络基础设施在内的整个网络中。

这些DSP建立在采用高能效异步处理器的内在节能架构之上。节能源自内核的异步设计。通过消除处理器内核中的时钟和同步寄存器，转而采用更简单的逻辑同步方法，异步设计带来了以下三方面改变：

·缩小了DSP内核的硅面积；

·清除了时钟和寄存器的电源和配线；

·综合以上两项的改变可进一步降低了能耗。

上述改变的直接结果便是打造出全新的高性能设备以完成编码转换, 其可完成高达20 CIF或者70 QCIF的视频流或多达480条声音通道。这一通道密度水平对应的功率却不超过1.9瓦特。

将这一密度与标准的服务器级x86处理器的密度进行对比。处理/功率平衡的上限为大约150瓦特时，一个纯x86架构的典型QCIF编码转换密度约为150个视频流。即便考虑向系统内增加DSP资源的实施细节，可能的能效增益也是相当大的。

视频转换编码：在任一视频客户端与任一视频源之间建立连接

第四页：未来的发展

[p]

未来的发展

为应对可预见的、不断增长的移动视频服务和互联网视频服务需求，DSP设计者、视频服务器、流转换器和网关制造商必须致力于开发新的高能效移动视频平台范式。新平台的设计必须能够满足视频编码转换处理的高要求，同时保持足够的灵活性，以应对不断变化的视频解决方案、帧频和编解码标准。这种新范式不仅为视频编码转换设备制造商提供了替代高耗能x86处理器的新选择，而且对于已经认识到换掉x86必要性的使用者而言，还为他们提供了一种可以代替标准DSP的节能替代方案。

尽管换到新处理器会令人怯步，但它能带来的好处却是突破性的。例如，与典型的服务器级的双四核Xeon相比，新一代DSP能够非常容易地在不提高能耗的前提下，将通道密度提高15倍。另外，在不降低通道密度的前提下，相同的能效能将功率减小60%以上。

将这些处理器部署在视频编码转换系统中之后，能效的益处会立刻在系统中体现出来，并能够极大地降低运营成本、提高通道密度等级和可扩展性、提高整个系统的可靠性。

想象一下，这些使用了新型低功率、高性能的DSP的设备制造商可以进一步将这些能效优势扩大到他们的最终消费者身上。能耗的降低和通道密度的增加意味着在一个大幅缩减的面积上能够放置更多的编码转换部件。即便功率密度增益只达到10倍(保守估计)，即可将实际部署中所需的服务器总数降至原来的十分之一；因此，节能潜力 不可估量(基于完整的服务器能耗)。

除了有形的、可衡量的益处之外，能够生产更高能效的产品也是整个行业的共同目标——为了可持续性、成本可控和客户满意。

作者简介：约翰.弗莱是Octasic Inc.的业务开发总监，在视频和通讯领域拥有超过15年的DSP开发经验。弗莱于2009年加入Octasic ，负责为Octasic的DSP技术寻找新的机遇。在进入Octasic工作之前，弗莱是Stretch公司客户应用部门的总监。在这之前，他曾历任Altera的高级DSP营销经理和Snell & Wilcox的高级研发工程师。弗莱拥有英国朴次茅斯大学通信系统工程专业的工学学士学位。