La convergence des univers d'Internet et de la télévision impose aux équipements de lecture des images vidéo d'être polyvalents. De plus, la vidéo en haute définition, réglementée par le récent standard de l'industrie Mpeg-4 Part 10/H. 264 Advanced Video Coding (AVC/H.264), est maintenant accessible à une large gamme de systèmes : des applications faible coût et basse consommation dans les mobiles aux produits professionnels haut de gamme. Ces deux tendances technologiques ont un impact direct sur notre quotidien et sur nos exigences d'utilisateurs. Ainsi dans un proche avenir, il sera possible de visionner sur la télévision de la TV numérique diffusée classique Mpeg-2/4, des DVD enregistrés en SD (standard définition) et maintenant en HD (haute définition), mais également des fichiers vidéo enregistrés sur Internet (format DivX par exemple). De la même manière, un téléphone mobile va permettre de récupérer des fichiers vidéo sur Internet et très bientôt des images diffusées en DVB-H (proche du standard de la télévision). Par ailleurs, ces téléphones portables étant le plus souvent équipés de caméra, il faut être capable de transcoder ces vidéos personnelles dans des formats compatibles avec les univers de la TV et de l'informatique.

Toutes ces opérations, plus ou moins complexes, de codage, de décodage et de transcodage sur différents flux vidéo sont aujourd'hui au cahier des charges d'applications très diverses qui ont, en plus, d'autres contraintes spécifiques à leur domaine, comme le coût, la consommation ou les performances. Les fabricants d'équipements électroniques grand public et professionnels ont besoin de solutions de traitement multimédia souples et évolutives, ouvertes aux différents formats et assurant l'interopérabilité des produits.

C'est pour répondre à ce compromis délicat que la société Arc a développé VRaptor : une architecture multiprocesseur hétérogène, configurable et modulable en taille, permettant de réaliser tous types de transcodage s'échelonnant du simple décodage MP3 au codage complexe de haute définition H.264. Egalement multiprocesseur, la plate-forme Domino[X] de LSI Logic comporte juste ce qu'il faut de souplesse pour s'adapter à tous les types de flux et de formats médias. L'idée commune à ces deux solutions est qu'une même architecture, matérielle et logicielle, conviendra aussi bien à la réalisation de décodeurs vidéo faible coût haute définition qu'à des codeurs et des transcodeurs vidéo hautes performances, temps réel, multicanaux.

Cette souplesse se traduit par un gain en coût et en temps de développement par rapport aux solutions existantes qui sont, soit difficilement modifiables comme les Asic et ASSP, soit facilement adaptables par logiciel, tels les CPU/DSP d'architectures fixes, mais très pénalisantes en termes de coût et de consommation. Cette tendance se dessinait depuis quelques mois, notamment avec l'offre en coeurs configurables orientés multimédias ( Electronique n° 168, p. 34) , mais elle se confirme aujourd'hui en abordant le monde de la haute définition.

Après ses décodeurs classiques pour produits nomades, la société Arc franchit le pas vers la haute définition avec son architecture de traitements médias VRaptor, destinée à une large gamme de systèmes grand public. Exploitant au maximum le parallélisme inhérent aux applications vidéo avancées, la plate-forme VRaptor convient aussi bien à la réalisation d'un simple décodeur MP3 qu'à celle d'un encodeur complexe H.264 en haute définition.

Cette architecture multiprocesseur hétérogène comprend des blocs IP synthétisables entièrement configurables par l'utilisateur. Il s'agit du coeur Arc750D dopé d'un moteur SIMD (single instruction multiple data) sur 128 bits pour le traitement d'opérations vectorisées, et entouré de modules d'entrées/sorties de hautes performances et d'accélérateurs spécifiques (figure 1).

Une structure SIMD permet d'appliquer une même instruction à plusieurs données, ce qui convient particulièrement bien aux traitements vidéo. De multiples configurations des processeurs SIMD, véritables média processeurs, sont possibles pour exécuter toute une palette d'opérations multimédias tels des filtres « deblock » , des transformations de pixels et des traitements audio. Ces processeurs bénéficient d'un jeu riche d'instructions arithmétiques, logiques et de contrôle, de registres configurables et programmables, vectoriels et scalaires. Une centaine d'instructions spécifiques à ce domaine d'applications ont été spécialement conçues pour accélérer les opérations complexes. Une instruction SIMD peut traiter en parallèle jusqu'à 8 pixels séparés codés sur 16 bits via un chemin de données de 128 bits de large. Le résultat est un traitement accéléré des algorithmes courants dans les applications vidéo. Citons, entre autres, les formats H.264, Mpeg-4, Mpeg-2 et VC-1, mais tout autre algorithme est facilement implantable.

Le fait que tous les éléments de VRaptor soient programmables et configurables avec les mêmes outils est très important pour la simplification du développement logiciel. Ainsi, les concepteurs de SoC ont la possibilité d'inclure facilement de nouveaux codecs à leurs puces. VRaptor peut comprendre un ou plusieurs CPU Arc750D, chacun d'eux susceptible d'être associé à de multiples moteurs SIMD, accélérateurs et modules d'E/S. La plus petite réalisation (avec un seul Arc750D) occupera moins de 0,5 mm ² en technologie 90 nm. Le coeur Arc750D et le média processeur SIMD sont étroitement couplés ; ce qui est plus efficace en termes de rapidité de traitement que la structure classique comportant un coeur fixe relié à des coprocesseurs par des bus. Selon la société, un processeur générique Risc 32 bits va requérir jusqu'à 18 GHz pour encoder de la vidéo suivant le protocole H.264 en définition standard, ou 5 GHz pour du Mpeg-4. Grâce à sa technologie d'implantation configurable, VRaptor demandera uniquement 200 MHz pour de l'encodage SD H.264, tout en ayant tous les avantages d'une solution programmable.

Le coeur Arc750D est un CPU Risc 32 bits intégrant un pipeline de sept étages, une unité de prédiction de branchement et une de gestion de mémoire. A 500 MHz en procédé 0,13 µm, il fournit plus de 800 Mips.

Une technologie propriétaire, appelée « active communication channels » , assure les connexions avec les accélérateurs médias (configurables et optionnels). Notons que ceux-ci sont aussi spécialisés dans les tâches de calculs intensifs comme l'estimation de mouvement ou l'encodage d'entropie. Cette technologie de communication sert également aux échanges avec les modules d'E/S pour les opérations d'adressage mémoire. Il s'agit d'un protocole de canal actif qui fournit des liaisons point-à-point au niveau matériel entre les coeurs, les accélérateurs et les modules d'E/S, et transporte les commandes aussi bien que les données. Ce protocole est directement supporté par les nouvelles instructions d'extension, ce qui élimine l'interprétation de message d'en-tête, d'où un modèle de programmation simplifié par rapport aux structures classiques multiprocesseurs. L'architecture VRaptor sera implantée dans les sous-systèmes « Media » proposés par Arc et sera disponible pour les systémiers dans quelques mois.

LSI Logic propose, pour sa part, son architecture de média processeur composée de plusieurs coeurs hétérogènes. Baptisée Domino[X], cette plate-forme matérielle-logicielle, succédant à Domino, assure le codage, décodage, transcodage de multiples formats vidéo numériques (figure 2). Ainsi, tout contenu vidéo peut être converti et reformaté pour être visionné sur des applications allant de la TV mobile au DVD de formats de prochaine génération, tels HD-DVD et Blu-Ray Disc DVD.

Grâce à sa capacité d'adaptation, cette architecture convient aussi bien aux applications grand public, sensibles en coût, qu'aux solutions codecs professionnels haut de gamme pour les systèmes d'infrastructure et de création de contenus.

L'objectif de LSI Logic était le bon équilibre entre les parties matérielles et logicielles, apportant juste la souplesse nécessaire pour couvrir la vaste gamme d'applications concernées par ces formats vidéo, tout en respectant leurs exigences en coût, consommation et performance. Domino[X] est donc un hybride entre l'approche strictement matérielle (Asic et ASSP) et celle basée sur du logiciel enfoui dans un processeur classique ou un DSP. Les solutions entièrement matérielles ont des fonctions fixes, un temps de mise sur le marché long, surtout pour ajouter de nouvelles fonctionnalités, mais elles affichent une très faible consommation. De leur côté, les plates-formes CPU/DSP sont programmables et donc permettent un ajout rapide et simple de nouvelles fonctions ; par contre, elles coûtent cher et leur consommation est souvent élevée.

Pour Domino[X], LSI Logic a choisi d'accélérer matériellement le traitement au niveau pixel, tandis que les exécutions de plus haut niveau sont exécutées par logiciel. Un certain degré de programmation est donné à l'utilisateur pour lui permettre d'ajouter rapidement et facilement de nouvelles fonctions. Dans le même temps les fonctionnalités câblées assurent une solution faible coût et basse consommation.

Le moteur vidéo comprend un coeur Risc étroitement couplé à un DSP vidéo et plus souplement relié à des processeurs d'estimation de mouvement et de calcul d'entropie. D'après la société, huit formats vidéo sont supportés par Domino[X].

Dans la même idée, la partie de traitement audio est une combinaison de processeurs Risc et DSP très couplés. Domino[X] contient également un moteur de traitement graphique, qui supporte les exigences de hautes performances des standards des boîtiers décodeurs TV et les contraintes temps réel des standards DVD (HD-DVD et Blu-Ray).

Le processeur d'applications est un Risc 32 bits d'architecture Mips, dédié aux logiciels applicatifs. Il supporte Linux et Windows CE. L'interface de données mémoire est sur 32 bits répartis en deux interfaces semi-indépendantes de 16 bits avec entrelacement, caractéristique convenant particulièrement aux applications médias.

Les premiers produits basés sur Domino[X] seront disponibles dans la seconde moitié de 2007. Ils reposeront sur des coeurs Sparc pour les moteurs vidéo et audio.