对移动视频的需求正呈爆发式增长。人们对在任何时间任何地点访问多媒体资源的渴望与日俱增,因此电视随处看(TV-anywhere)服务应运而生。这对于一心想要增加新的消费应用的服务提供商来说无疑是一个新的利润增长点。
但这也给支持性基础设施带来了巨大的挑战,更不必说还有一个潜在的难题:必须对媒体网关的视频处理性能加以调节,使其具有较低的功耗,以便不加重基础设施的负担,同时仍能遏制费用并保持可持续性。
来自新型处理器的先进视频转换实现以及支持视频的先进流式架构将成为高性能、低功耗移动视频平台解决方案的组成部分,与目前基础设施中使用的典型处理器技术相比,其中一些技术可以提供15倍的真实功率/密度增益。
移动视频与TV-Anywhere服务的增长
有人曾估算过,2009年下半年每天有10亿个YouTube视频流通道,而2008年这个数字为6亿。一份来自Intel公司的报告称,到2015年,将有120亿台设备(电视机、台式电脑、笔记本电脑和智能手机)连接到5000亿小时的可用视频源。
据Infonetics公司预测,到2013年,消费者手中将有4亿台移动视频手机。思科(Cisco)公司认为,到2012年全球90%的互联网业务都将是视频业务,到2013年所有移动业务中的70%将是视频业务。很明显,对广泛而且易于访问的视频的巨大需求正与日俱增。
为满足这个需求,并保持访问的便利性,那些处理并提供所有这类视频内容的服务器、视频流处理器和媒体网关现在必须认真解决处理工作量呈指数式增长的问题。与语音信号和典型互联网内容相比,视频要求的处理能力提高了一个数量级,特别是当视频被提供给不同类型的客户端浏览设备时。处理能力的增强当然会增加功耗。视频转码占了处理工作量的很大一部分。考虑到上述需求的增长,视频转码代表了对能源需求的潜在提升,这将给现有基础设施带来很大压力。
视频转码需求
待发送视频可以来自范围广泛的视频捕获设备,它们的分辨率和编码能力大相径庭。例如,捕获设备可能是采用MPEG4编码的通用中间格式(CIF)分辨率智能手机,也可能是采用H.264编码的720p分辨率摄像机。
同样,接收视频的客户端设备也具有很多种解码能力(在专用视频功能或可用的处理器周期方面),例如具有四分之一CIF(QCIF)分辨率的H.263解码蜂窝电话或提供高分辨率H.264视频解码的高规格电脑。
当视频被提交给网络用于实时浏览和/或存储时,人们总是期望任何人都能看到这段视频,但目前还没有严格或通用的视频交换标准。为了满足这一愿望,视频发布和网络服务提供商必须提供透明转码功能。
此外,人们越来越期待能够实时发送视频,而无需先下载一段或全部视频到客户设备的缓存中,对于互联网电视和监控系统来说尤其如此。这种实时发送要求进一步增加了视频发送系统的处理负担以及对能源的需求。
转码/流式平台架构
过去,语音转码设备常常位于网络核心附近,并使用基于专用DSP的硬件来实现。但是,视频转码不能这样做。
一般来说,用于转码和流式实时视频的设备都是基于标准服务器平台,尤其是当这种设备紧邻视频存储器时。这主要是因为大部分视频传送服务是基于互联网的,即使大多数观看用户是移动用户。
这意味着大部分视频转码功能是在基于服务器的互联网架构中完成。因此,来自戴尔(Dell)和惠普(HP)等公司的x86服务器平台在视频转码领域很常见。
此外,一旦使用x86平台实现了基本流式视频功能,那么制造商和视频服务提供商想要扩展他们产品的功能,以提供实时点到点视频通信和视频会议就是很平常的事情了。
其它理由还包括x86平台在视频转码中的广泛使用。例如,随着视频需求的增长,越来越多的人都定位于提供转码设备,但并不是每个人都拥有可用的视频编解码器知识产权(IP)或是经验和资源,来能够独立生产这些设备。
如今市场上有大量面向x86开发的开源编解码器。此外,那些想要现在提供视频的互联网服务提供商已经拥有了基于x86的设备。易于获得视频编解码器和x86硬件使得x86平台非常普及,但它对视频转码来说却是一个极其低效的平台。
由于x86是通用处理器,因此虽然它们在许多方面极有吸引力,但它们的这些好处是用低功效的代价换来的。
与功耗有关的问题
对大多数设计工程师来说,与功耗有关的问题非常明显。一般来说,在构建一种新的视频发布基础设施时需要考虑以下三个与功耗有关的问题:
运行成本:就功耗而言,就是体现在每度电的费率上。解决方案需要的功耗越多,运行成本就越大,这不仅有处理方面的成本,而且还涉及冷却的成本。
可扩展性:机架空间是一种宝贵的资源。在系统扩容中(计划好的通道密度增加时)不会产生额外的空间和冷却要求是关键。更低的功耗意味着[FS:Page]更紧密的系统和体积更小的冷却源。
可靠性:功耗直接转化为散热,进而要求有效的冷却解决方案。对固态元件、设备机箱和机架的有效冷却会把整个系统的可靠性降低到最薄弱的机械冷却元件的水平上。
此外,随着整个行业对环境/社会责任感的不断增强,功耗成为第一优先考虑的问题。为解决这些问题,系统中耗能最大的部分,即提供转码资源的x86处理器迫切需要更高的功效。另一种解决方案是选用不同的处理器。
高功效替代产品
用于语音和视频应用的新型低功耗多内核数字信号处理器(DSP)在通道处理密度方面极具可扩展性。这种可扩展性使得这些DSP能够部署在从低密度访问点到高密度核心网络基础设施的整个网络中。
这些DSP构建于使用高功效异步处理器的基础高功效架构之上。高功效源自于内核本身的异步设计。通过取消处理器内核中的时钟和同步寄存器,并用更简单的逻辑型同步方法来替代,可以实现下面三点:
减少DSP核的硅片面积;消除来自时钟和寄存器基本架构的功耗和走线;减小面积和取消时钟带来的累积效应导致更多的功耗降低。
最终结果是实现具有换码功能的高性能设备,例如支持多达20个CIF或70个QCIF视频流或多达480个语音通道。这种水平的通道密度只需1.9W的功耗就能实现。
将这个密度与标准服务器类x86处理器可实现的密度相比,在最大约150W的处理能力/功耗下,纯x86装置的典型QCIF转码密度约为150个视频流。
即使考虑了将DSP资源增加到系统中的特殊实现细节,可能的功耗与效率增益也会非常大。分别采用x86与DSP转码方案时的功耗。
未来发展
鉴于对移动和互联网视频服务的预测和明显的增长需求,DSP设计工程师和视频服务器、流处理器和网关制造商必须开发出新一代高功效的移动视频平台。
这种新平台从设计一开始就必须考虑能够满足视频转码的高处理要求,并具有足够的灵活性以应对不断变化的视频分辨率、帧速率和编解码标准。这种新平台给视频转码设备制造商提供了耗能高的x86处理器的替代品,也能作为那些早已认识到摒弃x86所带来好处的人使用的标准DSP的高功效替代品。
虽然在向新处理器的转变过程中可能会遇到困难,但好处是不言而喻的。例如,与典型的服务器类双路四内核Xeon装置相比,新一代DSP能够在不增加功耗的条件下非常轻松地提供近15倍的通道密度增益。换句话说,在不牺牲通道密度的条件下,相同的功效可以用来实现超过60%的功耗降低。
一旦这些处理器部署到视频转码系统中,高功效的好处立即就能在系统中体现出来,不仅能显著地降低运行成本,还能实现更高的通道密度和可扩展性,提高整个系统的可靠性。
可以想象,这些设备制造商在使用新的低功耗、高性能DSP后,能够将这些低功耗优势在终端用户那里发挥得淋漓尽致。功率与通道密度增益意味着更多的转码功能可以放入大幅减小的面积内。即使获得中等的约10倍功率密度增益,也直接意味着实际部署中所要求的服务器总数可以减少10倍。功耗节省效果(基于完整的服务器功耗)非常显著。
除了切实和可测量的好处外,能够生产更高功效的产品也是整个行业为了实现可持续性、节省费用和用户满意度而追求的共同目标。