Exploração de computação aproximada no projeto de hardware dedicado de baixo consumo para a codificação de vídeo em dispositivos móveis

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Porto, Roger Endrigo Carvalho
• Orientador(a): Porto, Marcelo Schiavon
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Pelotas
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Computação
• Departamento: Centro de Desenvolvimento Tecnológico
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Computação; Computação aproximada; Eficiência energética; Codificação de vídeo; Approximate computing; Energy efficiency; Video coding
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::METODOLOGIA E TECNICAS DA COMPUTACAO
• Link de acesso: http://guaiaca.ufpel.edu.br/handle/prefix/6660

A eficiência energética tornou-se uma preocupação essencial no projeto de arquiteturas em hardware dedicadas a aplicações multimídia, especialmente se o alvo de aplicação for dispositivos móveis, onde o consumo de energia é fator crítico para a vida útil das baterias. Ao mesmo tempo é um grande desafio desenvolver algoritmos e arquiteturas de hardware de baixo consumo/potência mantendo a eficiência de codificação. Nesse contexto, o paradigma chamado computação aproximada é uma abordagem promissora para arquiteturas em hardware com baixo consumo. A computação aproximada toma por base a tolerância a erros de algumas aplicações para realizar simplificações. A partir dessas simplificações, é possível obter uma redução substancial no consumo energético. A codificação de vídeo é um exemplo de aplicação que pode ter seu consumo energético reduzido através da inserção de técnicas de computação aproximada, pois a aplicação de computação aproximada nos algoritmos das etapas de predição geralmente resulta em perdas aceitáveis nos resultados de eficiência de codificação. Levando essas questões em consideração, várias soluções de hardware com baixa dissipação de potência foram desenvolvidas e apresentadas nesta tese: uma arquitetura com foco na predição intraquadro, duas arquiteturas com foco na predição interquadros e um operador aritmético escalável. A arquitetura para cálculo de SAD na predição intraquadro é capaz de processar vídeos UHD 8K a 60 quadros por segundo obtendo redução de 27% na potência dissipada e impactos de 0,28% a 1,72% na eficiência da codificação. A primeira solução aproximada para predição interquadros é uma arquitetura para estimação de movimento com baixa dissipação de potência. Os impactos na eficiência da codificação foram de 0,6% a 2,5%, contrastando com redução na dissipação de potência de 7% a 11,5%. A segunda solução é uma arquitetura completa para estimação de movimento. Como resultado, a arquitetura projetada é capaz de processar vídeos UHD 8K em tempo real a uma taxa de 120 quadros por segundo, alcançando a maior taxa de processamento e a maior eficiência energética entre todos os trabalhos relacionados. Por fim, foi desenvolvido um somador escalável em precisão e energia que pode ser configurado para suportar uma grande variedade de pontos de operação de acordo com as necessidades da aplicação alvo.