Power aware integer motion estimation architecture for HEVC video encoding

Abstract

The multimedia content traffic over the Internet is increasingly being represented by battery-powered devices, such as smartphones, tablets, etc. On the other hand, the increase in the density of components in a chip and, consequently, in the power dissipation, poses a problem for such devices. Despite the considerable increase in computational capacity in the last decades, the same growth has not been observed in battery life for such systems. Due to the fact that the multimedia content represents the most part of the Internet traffic, there is a need for optimizing these kind of applications, in order to compensate for the short battery life. The research in digital video coding is one of the areas focused on this kind of optimization, and one of its goals is to find solutions for reducing the dissipated power of the encoders. Motion Estimation is a key component in current video encoders, as it exploits the temporal redundancies of video sequences, through intensive searches for similarities in previously encoded blocks. It is one of the most critical and time-consuming tasks of the latest video coding standard HEVC, being responsible for more than 60% of the total encoding time on average. This work proposes the design and implementation of a power-aware hardware architecture for the Integer Motion Estimation stage. The architecture was synthesized for ASIC with 65 nm standard cells library. Power analysis are performed in some of its components using real input vectors, in order to decide the best architectural versions of the modules to be optimized. A power-aware cache memory hierarchy is also proposed, interfacing the off-chip DRAM (containing data from reference frames) and the Integer Motion Estimation architecture, with hit-rate results of up to 96.47%. We were able to decrease the off-chip bandwidth from 5.22 GB/s - considering that every access was requested directly to the DRAM - down to 0.18 GB/s, without considering any buffering mechanisms. Considering the whole system, we obtained an energy reduction of 94.5% when compared to the version without using any cache mechanisms.

O tráfego de conteúdo multimídia pela Internet vem cada vez mais sendo representado por dispositivos alimentados por bateria, como smartphones, tablets, etc. Por outro lado, o aumento na densidade de componentes em um chip e, consequentemente, na dissipação de potência, representa um problema para tais dispositivos. Apesar da capacidade computacional ter crescido consideravelmente nas últimas décadas, o mesmo crescimento não foi observado no tempo de vida das baterias para tais sistemas. Devido ao fato do conteúdo multimídia representar a maior parte da taxa do tráfego na Internet, há uma necessidade de otimizar esses tipos de aplicações, para compensar o curto tempo de vida das baterias. A pesquisa em codificação de vídeo digital é uma das áreas focadas neste tipo de otimização, e um dos seus objetivos é a busca de soluções para reduzir a potência dissipada dos codificadores. A Estimação de Movimento é um componente chave nos codificadores de vídeo atuais, devido ao fato de explorar redundâncias temporais de sequências de vídeo, através de intensas buscas por similaridades em blocos anteriormente codificados. Consequentemente, esse estágio da codificação é um dos mais críticos e demorados do último padrão de codificação de vídeo HEVC, sendo responsável por mais de 60% do tempo total de codificação, em média. Este trabalho propõe o projeto e implementação de uma arquitetura eficiente em potência para o estágio da Estimação de Movimento Inteira. A arquitetura foi sintetizada para ASIC, com uma biblioteca de standard cells de 65 nm. Análises de potência são feitas em alguns dos componentes, para a decisão das melhores versões arquiteturais dos módulos a serem otimizados. Uma hierarquia de memória cache focada em eficiência de potência também é proposta, interfaceando a memória DRAM off-chip (que contém dados relativos aos quadros de referência) e a arquitetura da Estimação de Movimento Inteira, com resultados de hit-rate de até 96.47%. A solução proposta reduz a banda off-chip de 5.22 GB/s - obtido considerando que todo acesso é requisitado diretamente para a DRAM - para 0.18 GB/s, sem considerar mecanismos de bufferização. Considerando o sistema como um todo, foi obtida uma redução energética de 94.5% quando comparado com a versão que não utiliza mecanismos de cache.