如何解決移動視頻領(lǐng)域的能效問題？

約翰.弗萊 2010/07/08

　　移動視頻需求正呈爆炸式增長。隨著人們對于隨時隨地的多媒體訪問需求的日益迫切，TV隨地接收服務(wù)隨之應(yīng)運(yùn)而生。對于服務(wù)提供商來說，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，這對支持基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備提出一個巨大的挑戰(zhàn)，更不用說潛在的難題了：處理來自媒體網(wǎng)關(guān)的視頻所需的性能必須滿足低功耗的要求，以便不會給基礎(chǔ)設(shè)施造成過重的負(fù)擔(dān)，但同時又一定要滿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)換編碼實現(xiàn)方面優(yōu)勢明顯——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、低功耗的移動視頻平臺解決方案。

　　移動視頻與TV隨地接收服務(wù)的發(fā)展

　　在2009年下半年，據(jù)一些市場分析顯示，YouTube平均每日處理約10億個視頻訪問。而在2008年，該數(shù)字尚為600萬。更有報告指出，到2015年，將有120億臺設(shè)備(包括電視、臺式電腦、筆記本、上網(wǎng)本和智能電話)訪問5,000億小時的視頻信息。(來源：英特爾)。到2013年，移動視頻電話的保有量將達(dá)到4億部(來源：訊泰)。在2012年，視頻將占所有互聯(lián)網(wǎng)流量的90％；在2013年，視頻將占所有移動通信流量的70％(來源：思科)。很明顯，人們對于廣泛的且易于訪問的視頻內(nèi)容有著巨大的消費(fèi)需求，且該需求正與日劇增。為滿足這種需求并保持訪問的易用性，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)倍地擴(kuò)充。與聲音信號和其它典型的互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容相比，視頻需要更高量級的處理能力，尤其當(dāng)視頻被傳送到各種類型的瀏覽客戶端設(shè)備上時更是如此。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)換是此類處理負(fù)載中的主要部分，結(jié)合上述增長，此項任務(wù)引發(fā)了巨大的潛在能耗增長，這對已有的基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成了很大的壓力。

　　對視頻轉(zhuǎn)換編碼的需求

　　待分發(fā)的視頻來自各種捕捉設(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、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，其目的是希望任何人都能夠觀看，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：在任一視頻客戶端與任一視頻源之間建立連接

視頻轉(zhuǎn)換編碼：在任一視頻客戶端與任一視頻源之間建立連接

　　此外，人們對視頻傳送的期望已變成要求實現(xiàn)實時視頻傳送，而無需先將部分或整個視頻文件下載到客戶端設(shè)備的緩存器中，對互聯(lián)網(wǎng)電視和監(jiān)視系統(tǒng)來說尤其如此。這種實時傳送需求加大了視頻傳送系統(tǒng)的負(fù)荷，同時，也增加了能耗。

　　編碼轉(zhuǎn)換/流媒體平臺體系結(jié)構(gòu)

　　長期以來，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的專用硬件來實現(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)器平臺之上，在接近視頻存儲位置的環(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)器平臺對視頻編碼轉(zhuǎn)換來說非常通用。此外，一旦利用x86平臺實現(xiàn)了基線流視頻能力，生產(chǎn)商和視頻服務(wù)提供商就會普遍希望擴(kuò)展其產(chǎn)品的功能，以便包含直播對等視頻通訊和視頻會議功能。

　　x86在視頻轉(zhuǎn)換編碼中的廣泛使用還有其它原因。舉例來說，隨著視頻需求的增長，有能力提供轉(zhuǎn)換編碼設(shè)備的人越來越多，但并不是每個人都有可用的視頻CODEC IP或者有所需的經(jīng)驗和資源。而市場中有大量支持x86的開放源編解碼器。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。

　　因為x86是通用處理器，因此可應(yīng)用于許多場合，但其功耗非常高。
　　與功耗有關(guān)的問題

　　對于大多數(shù)的使用者來說，功耗相關(guān)的問題是顯而易見的。通常，當(dāng)擴(kuò)建新的視頻分發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施時，以下三個與能耗相關(guān)的問題會被考慮：

　　(1)運(yùn)行成本：就功耗而言，簡單來說就是每千瓦小時的電費(fèi)。一個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進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)充，而不帶來額外的空間和冷卻成本，這一點非常關(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，所以需要主動冷卻的散熱解決方案。對固體元件、設(shè)備機(jī)箱和支架的主動冷卻會將整個系統(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)任和社會責(zé)任被業(yè)界廣泛接受，功耗問題正變得越發(fā)突出， 這一點相信已無需多言。

　　為解決這些問題，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全然不同的處理器。

　　可供選擇的節(jié)能辦法

　　針對音頻和視頻應(yīng)用，目前市場上有很多新的低功率多核數(shù)字信號處理器(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問節(jié)點到高密度的核心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的整個網(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)能源自內(nèi)核的異步設(shè)計。通過消除處理器內(nèi)核中的時鐘和同步寄存器，轉(zhuǎn)而采用更簡單的邏輯同步方法，異步設(shè)計帶來了以下三方面改變：

　　(1)縮小了DSP內(nèi)核的硅面積；

　　(2)清除了時鐘和寄存器的電源和配線；

　　(3)綜合以上兩項的改變可進(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應(yīng)的功率卻不超過1.9瓦特。

　　將這一密度與標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器級x86處理器的密度進(jìn)行對比。處理/功率平衡的上限為大約150瓦特時，一個純x86架構(gòu)的典型QCIF編碼轉(zhuǎn)換密度約為150個視頻流。即便考慮向系統(tǒng)內(nèi)增加DSP資源的實施細(xì)節(jié)，可能的能效增益也是相當(dāng)大的。

視頻轉(zhuǎn)換編碼：在任一視頻客戶端與任一視頻源之間建立連接

視頻轉(zhuǎn)換編碼：在任一視頻客戶端與任一視頻源之間建立連接

　　未來的發(fā)展

　　為應(yīng)對可預(yù)見的、不斷增長的移動視頻服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)視頻服務(wù)需求，DSP設(shè)計者、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發(fā)新的高能效移動視頻平臺范式。新平臺的設(shè)計必須能夠滿足視頻編碼轉(zhuǎn)換處理的高要求，同時保持足夠的靈活性，以應(yīng)對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，而且對于已經(jīng)認(rèn)識到換掉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令人怯步，但它能帶來的好處卻是突破性的。例如，與典型的服務(wù)器級的雙四核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，能效的益處會立刻在系統(tǒng)中體現(xiàn)出來，并能夠極大地降低運(yùn)營成本、提高通道密度等級和可擴(kuò)展性、提高整個系統(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)，即可將實際部署中所需的服務(wù)器總數(shù)降至原來的十分之一；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)品也是整個行業(yè)的共同目標(biāo)——為了可持續(xù)性、成本可控和客戶滿意。
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