Avaliação de Energia e Computação de Núcleos de Processamento de Vídeo em Plataformas de CPU e FPGA

Abstract

Arquiteturas heterogêneas estão se tornando cada vez mais comuns, permitindo a aceleração de módulos menores que compõem sistemas complexos. Isso é especial- mente benéfico quando esses sistemas contêm algoritmos de fluxo de dados mistos e fluxo de controle, nos quais o primeiro pode ser otimizado em hardware, enquanto o último ainda pode ser executado em uma CPU. Em codificadores de vídeo, a intra e interpredição são exemplos típicos de operações de fluxo de dados. Essas etapas en- volvem pesquisas de correspondência de blocos que visam encontrar o par de blocos mais semelhante, um sendo codificado e outro gerado durante a previsão. A seme- lhança pode ser medida de diferentes maneiras, mas as mais comuns são a Soma das Diferenças Absolutas (SAD), a Soma das Diferenças Absolutas Transformadas (SATD) e a Soma das Diferenças ao Quadrado (SSD). Todas essas métricas de distor- ção são executadas várias vezes para cada bloco a ser codificado, portanto, reduzir o tempo ou a energia necessária para calculá-las é extremamente benéfico. Este ar- tigo apresenta uma comparação dos custos de energia das operações SAD e SSD em uma CPU e em projetos VLSI dedicados. Os experimentos foram conduzidos em um componente FPGA baseado em Artix-7. As arquiteturas VLSI e as rotinas de simula- ção foram projetadas em VHDL, e as versões de software foram descritas em C. Para otimizar o throughput e a utilização de recursos, as unidades dedicadas foram proje- tadas usando pipeline e compartilhamento de recursos sempre que possível. Nossos resultados mostram que, como esperado, o FPGA tem um grande ganho de eficiência energética em relação à CPU, com ganhos de eficiência de energia na faixa de 100 vezes.