Dedicated and reconfigurable hardware accelerators for high efficiency video coding standard

Abstract

The demand for ultra-high resolution video (beyond 1920x1080 pixels) led to the need of developing new and more efficient video coding standards to provide high compression efficiency. The High Efficiency Video Coding (HEVC) standard, published in 2013, reaches double compression efficiency (or 50% reduction in size of coded video) compared to the most efficient video coding standard at that time, and most used in the market, the H.264/AVC (Advanced Video Coding) standard. HEVC reaches this result at the cost of high computational effort of the tools included in the encoder and decoder. The increased computational effort of HEVC standard and the power limitations of current silicon fabrication technologies makes it essential to develop hardware accelerators for compute-intensive computational kernels of HEVC application. Hardware accelerators provide higher performance and energy efficiency than general purpose processors for specific applications. An HEVC application analysis conducted in this work identified the most compute-intensive kernels of HEVC, namely the Fractional-pixel Interpolation Filter, the Deblocking Filter and the Sum of Absolute Differences calculation. A run-time analysis on Interpolation Filter indicates a great potential of power/energy saving by adapting the hardware accelerator to the varying workload. This thesis introduces new contributions in the field of dedicated and reconfigurable hardware accelerators for HEVC standard. Dedicated hardware accelerators for the Fractional Pixel Interpolation Filter, the Deblocking Filter and the Sum of Absolute Differences calculation are herein proposed, designed and evaluated. The interpolation filter hardware architecture achieves throughput similar to the state of the art, while reducing hardware area by 50%. Our deblocking filter hardware architecture also achieves similar throughput compared to state of the art with a 5X to 6X reduction in gate count and 3X reduction in power dissipation. The thesis also does a new comparative analysis of Sum of Absolute Differences processing elements, in which various architecture design alternatives with different area, performance and power results were introduced. A novel reconfigurable interpolation filter hardware architecture for HEVC standard was developed, and it provides 57% design-time area reduction and run-time power/energy adaptation in a picture-by-picture basis, compared to the state-of-the-art. Additionally a run-time accelerator binding scheme is proposed for tile-based mixed-grained reconfigurable architectures, which reduces the communication overhead, compared to first-fit strategy with datapath reusing scheme, by up to 44% (23% on average) for different number of tiles and internal tile organizations. This run-time accelerator binding scheme is aware of the underlying architecture to bind datapaths in an efficient way, to avoid and minimize inter-tile communications. The new dedicated and reconfigurable hardware accelerators and techniques proposed in this thesis enable next-generation video coding standard implementations beyond HEVC with improved area, performance, and power efficiency.

A demanda por vídeos de resolução ultra-alta (além de 1920x1080 pontos) levou à necessidade de desenvolvimento de padrões de codificação de vídeo novos e mais eficientes para prover alta eficiência de compressão. O novo padrão High Efficiency Video Coding (HEVC), publicado em 2013, atinge o dobro da eficiência de compressão (ou 50% de redução no tamanho do vídeo codificado) comparado com o padrão mais eficiente até então, e mais utilizado no mercado, o padrão H.264/AVC (Advanced Video Coding). O HEVC atinge este resultado ao custo de uma elevação da complexidade computacional das ferramentas inseridas no codificador e decodificador. O aumento do esforço computacional do padrão HEVC e as limitações de potência das tecnologias de fabricação em silício atuais tornam essencial o desenvolvimento de aceleradores de hardware para partes importantes da aplicação do HEVC. Aceleradores de hardware fornecem maior desempenho e eficiência energética para aplicações específicas que os processadores de propósito geral. Uma análise da aplicação do HEVC realizada neste trabalho identificou as partes mais importantes do HEVC do ponto de vista do esforço computacional, a saber, o Filtro de Interpolação de Ponto Fracionário, o Filtro de Deblocagem e o cálculo da Soma das Diferenças Absolutas. Uma análise de tempo de execução do Filtro de Interpolação indica um grande potencial de economia de potência/energia pela adaptação do acelerador de hardware à carga de trabalho variável. Esta tese introduz novas contribuições no tema de aceleradores dedicados e reconfiguráveis para o padrão HEVC. Aceleradores de hardware dedicados para o Filtro de Interpolação de Pixel Fracionário, para o Filtro de Deblocagem, e para o cálculo da Soma das Diferenças Absolutas, são propostos, projetados e avaliados nesta tese. A arquitetura de hardware proposta para o filtro de interpolação atinge taxa de processamento similar ao estado da arte, enquanto reduz a área do hardware para este bloco em 50%. A arquitetura de hardware proposta para o filtro de deblocagem também atinge taxa de processamento similar ao estado da arte com uma redução de 5X a 6X na contagem de gates e uma redução de 3X na dissipação de potência. A nova análise comparativa proposta para os elementos de processamento do cálculo da Soma das Diferenças Absolutas introduz diversas alternativas de projeto de arquitetura com diferentes resultados de área, desempenho e potência. A nova arquitetura reconfigurável para o filtro de interpolação do padrão HEVC fornece 57% de redução de área em tempo de projeto e adaptação da potência/energia em tempo-real a cada imagem processada, o que ainda não é suportado pelas arquiteturas do estado da arte para o filtro de interpolação. Adicionalmente, a tese propõe um novo esquema de alocação de aceleradores em tempo-real para arquiteturas reconfiguráveis baseadas em tiles de processamento e de grão-misto, o que reduz em 44% (23% em média) o “overhead” de comunicação comparado com uma estratégia first-fit com reuso de datapaths, para números diferentes de tiles e organizações internas de tile. Este esquema de alocação leva em conta a arquitetura interna para alocar aceleradores de uma maneira mais eficiente, evitando e minimizando a comunicação entre tiles. Os aceleradores e técnicas dedicadas e reconfiguráveis propostos nesta tese proporcionam implementações de codificadores de vídeo de nova geração, além do HEVC, com melhor área, desempenho e eficiência em potência.