Energy-efficient memory architecture design and management for parallel video coding

Abstract

This Thesis presents the design of an energy-efficient hybrid scratchpad video memory architecture (called Hy-SVM) for parallel High-Efficiency Video Coding. Video coding stands out as a high complex part in the video processing applications. HEVC standard brought innovations that increase the memory requirements, mainly due to: (a) the novel coding structures, which aggravates the computational complexity by providing a wider range of possibilities to be analyzed; and (b) the high-level parallelism features provided by the Tiles partitioning, which provides performance acceleration, but, at the same time, strongly adds hard challenges to the memory infrastructure. The main bottleneck in terms of external memory transmission and on-chip storage is the reference frames data: which consists of already coded (and reconstructed) entire frames that must be stored and intensively accessed during the encoding process of future frames. Due to the large volume of data required to represent the reference frames, they are typically stored in the external memory (especially when highdefinition videos are targeted). The proposed Hy-SVM architecture is inserted in a video coding system, which is based on multiple Tiles partitioning to enable parallel HEVC encoding: each Tile is assigned to a specific processing unit. The key ideas of Hy-SVM include: applicationspecific design and management; combined multiple levels of private and shared memories that jointly exploit intra-Tile and inter-Tiles data reuse; scratchpad memories (SPMs) as energyefficient on-chip data storage; combined SRAM and STT-RAM hybrid memory (HyM) design We propose a design methodology for Hy-SVM that leverages application-specific properties to properly define the HyMs parameters. In order to provide run-time adaptation (for both offand on-chip parts), Hy-SVM integrates a memory management layer composed of: (1) overlap prediction, which has the goal of identifying the redundant memory access behavior by analyzing monitored past frames encoding to increase inter-Tiles data reuse exploitation; (2) memory pressure management, which aims on balancing the Tiles-accumulated memory pressure targeting on improving external memory communication channel usage; and (3) lifetime-aware data management scheme that alleviates STT-RAM SPMs of high bit-toggling write accesses to increase the their cells lifetime, as well as to reduce overhead issues related to poor write characteristics of STT-RAM. Application-specific knowledge was exploited by inheriting HEVC properties and performing run-time monitoring of memory accesses. Such information is used to properly design the on-chip video memories, as well as being utilized as input parameters of the run-time memory management layer. Based on the run-time decisions from the proposed Hy-SVM management strategies, Hy-SVM integrates distributed memory access management units (MAMUs) to control the access dynamics of private and shared SPMs. Additionally, adaptive power management units (APMUs) are able to strongly reduce on-chip energy consumption due to an accurate overlap prediction The experimental results demonstrate Hy-SVM overall energy savings over related works under various HEVC encoding scenarios. Compared to traditional data reuse schemes, like Level-C, the combined intra-Tile and inter-Tiles data reuse provides 69%-79% of energy reduction. Regarding related HEVC video memory architectures, the savings varied from 2.8% (worst case) to 67% (best case). From the external memory perspective, Hy-SVM can improve data reuse (by also exploiting inter-Tiles data redundancy), resulting on 11%-71%% of reduced off-chip energy consumption. Additionally, our APMUs contribute by reducing on-chip energy consumption of Hy-SVM by 56%-95%, for the evaluated HEVC scenarios. Thus, compared to related works, Hy-SVM presents the lowest on-chip energy consumption. The memory pressure management scheme can reduce the variations in the memory bandwidth by 37%-83% when compared to the traditional raster scan processing for 4- and 16-core parallelized HEVC encoder. The lifetime-aware data management significantly extends the STT-RAM lifetime, achieving 0.83 of normalized lifetime (near to the optimal case). Moreover, the overhead of implementing our management units insignificantly affects the performance and energyefficiency of Hy-SVM.

Esta tese de doutorado apresenta o projeto de uma arquitetura de memória híbrida energeticamente eficiente baseada em memórias do tipo scratchpad (Hy-SVM) para a codificação paralela de vídeos segundo o padrão HEVC. A codificação de vídeo se destaca como uma parte extremamente complexa nas aplicações de processamento de vídeo. O padrão HEVC traz inovações que complicam fortemente os requerimentos de memória de tais aplicações, principalmente devido a: (a) novas estruturas de codificação, as quais agravam a complexidade computacional por proporcionarem muitas modos possíveis de codificação que devem ser analisados; além do (b) suporte de alto nível à paralelização da codificação por meio do particionamento das unidades de codificação em múltiplos Tiles, o qual provê a aceleração da performance dos codificadores, porém, ao mesmo tempo, adiciona grandes desafios à infraestrutura de memória. O principal gargalo em termos de comunicação com a memória externa e de armazenamento interno (dentro do chip do codificador) é dados pelas informações dos quadros de referência: que consiste em uma série de quadros completos já codificados (e reconstruídos) que devem ser mantidos em memória e acessados de forma intensa durante o processamento dos quadros futuros. Devido ao grande volume de dados que são necessários para representar os quadros de referência, estes são tipicamente armazenados na memória externa dos codificadores (principalmente quando vídeos de alta e ultra alta resolução são processados) A arquitetura proposta Hy-SVM está inserida em um sistema de codificação baseado no particionamento dos quadros do vídeo de entrada em múltiplos Tiles, de forma a habilitar a codificação paralela das informações segundo o padrão HEVC: neste cenário, cada Tile é assinalado para uma específica unidade de processamento do codificador HEVC, o qual executa o processamento dos diferentes Tiles em paralelo. A ideias chave da arquitetura Hy- SVM incluem: projeto e gerenciamento de memórias para a aplicação específica de codificação de vídeo; uso de múltiplos níveis de memórias privadas e compartilhadas, com o objetivo de explorar o reuso de dados intra-Tile e inter-Tiles de forma combinada; uso de memórias do tipo scratchpad (SPMs) para o armazenamento interno da informações de forma eficiente em termos de consumo de energia; projeto de memórias híbridas utilizando as tecnologias SRAM e STTRAM como base. Uma metodologia de projeto é proposta para a arquitetura Hy-SVM, a qual aproveita propriedades específicas da aplicação para, de forma adequada, definir os parâmetros de projeto das memórias híbridas. De forma a prover adaptação em tempo de execução (para ambas as memórias on-chip e off-chip), a arquitetura Hy-SVM integra uma camada de gerenciamento composta pelas seguintes estratégias (1) predição do overlap (sobreposição de acessos), o qual busca identificar o comportamento dos acessos redundantes entre diferentes unidades de processamento do codificador HEVC a partir da análise dos acessos à memória das codificações dos quadros passados do vídeo, com o objetivo de aumentar o potencial de exploração do reuso de dados inter-Tiles; (2) gerenciamento dos acessos à memória externa, responsável por balancear a vazão de dados com a memória acumulada entre as múltiplas unidades de processamento do codificador HEVC paralelo, com o objetivo de melhorar o uso do barramento de comunicação com a memória externa; e (3) gerenciamento de dados das SPMs implementadas a partir de células de memória STT-RAM, o qual alivia estas células de acessos de escrita com alta atividade de chaveamento dos bits armazenados, com o objetivo de aumentar o tempo de vide destas células, bem como reduzir as penalidades relativas à ineficiência dos acessos de escrita nas memórias STT-RAM. O conhecimento específico da aplicação foi utilizado nas estratégias de gerenciamento em tempo de execução das seguintes formas: explorando parâmetros da codificação HEVC e realizando monitorando em tempo real dos acessos à memória realizados pelo codificador Estas informações são utilizadas tanto pelas técnicas de gerenciamento, quanto pelas metodologias de projeto das memórias. Baseadas nas decisões tomadas pela camada de gerenciamento, a arquitetura Hy-SVM integra unidades de gerenciamento de acessos à memória (memory access management units – MAMUs) para controlar as dinâmicas de acesso das memórias SPM privadas e compartilhadas. Além disso, unidades adaptativas de gerenciamento de potência (adaptive power management units – APMUs) são capazes de reduzir o consumo de energia interno do chip do codificador a partir das estimativas precisas de formação dos overlaps. Os resultados obtidos por meio dos experimentos realizados demonstram economias de consumo energético da arquitetura Hy-SVM, quando comparada a trabalhos relacionados, sob diversos cenários de teste. Quando comparada a estratégias de reuso de dados tradicionais para codificadores de vídeo, como o esquema Level-C, a exploração do reuso de dados combinado nos níveis intra-Tile e inter-Tiles provê 69%-79% de redução de energia. Considerando as arquiteturas de memória de vídeo com foco no padrão HEVC, os ganhos variaram desde 2,8% (pior caso) até 67% (melhor caso) Da perspectiva do consumo de energia relacionado à comunicação com a memória externa, a arquitetura Hy-SVM é capaz de melhorar o reuso de dados (por explorar também o reuso de dados inter-Tiles), resultando em um consumo de energia on-chip 11%-17% menor. Além disso, as APMUs contribuem para reduzir o consumo de energia on-chip da arquitetura Hy-SVM em 56%-95%, para os cenários de teste analisados. Desta forma, comparada aos trabalhos relacionados, a arquitetura Hy-SVM apresenta o menor consumo energético on-chip. O gerenciamento da vazão da comunicação com a memória externa é capaz de reduzir as variações de largura de banda em 37%-83%, quando comparado à ordem tradicional de processamento, para cenários de teste com 4 e 16 Tiles sendo processados em paralelo pelo codificador HEVC. O gerenciamento de dados pôde, de forma significativa, estender o tempo de vida das células de memória STT-RAM, alcançando 0,83 de tempo de vida normalizado (métrica adotada para comparação, ficando muito próximo do caso ideal). Além disso, as sobrecargas causadas pela implementação das unidades de gerenciamento não afetam de foram significativa a performance e a eficiência energética da arquitetura Hy- SVM propostas por este trabalho.