Architecture exploration and VLSI design of multi-symbol arithmetic encoders for the AV1 coding format

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Bitencourt, Tulio Pereira
• Orientador(a): Bampi, Sergio
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Codificacao : Video digital; Hardware; Vlsi
• Palavras-chave em Inglês: AV1; Arithmetic encoder; Hardware design; VLSI architectures
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/258723

Para reduzir o impacto dos vídeos na capacidade global de Internet, as empresas contam com padrões e formatos de codificação de vídeo, também conhecidos como codecs, para reduzir os tamanhos dos vídeos antes de transmiti-los ou armazená-los. O AV1, que surge como um promissor formato de codificação de vídeo de última geração e livre de royal ties lançado pela primeira vez em 2018, visa reduzir os tamanhos dos vídeos aplicando técnicas inovadoras e aprimoradas para aumentar os resultados de compactação do AV1. Entre seus componentes principais, o AV1 compreende um bloco de codificação de en tropia, que é responsável pela codificação sem perdas de símbolos gerados por outros módulos (por exemplo, predição intra-quadro, compensação de movimento, etc.). O co dificador aritmético, que faz parte do codificador de entropia, é um gargalo devido à sua dificuldade em trabalhar com paralelizações e conta com duas operações principais: CDF Operation e Boolean Operation, onde CDF representa Cumulative Distribution Function. Esta dissertação propõe um projeto VLSI digital, nomeado AE-AV1, como o primeiro codificador aritmético AV1 encontrado na literatura e capaz de atingir desempenho ultra high (ou seja, processamento de vídeos 8K@120fps em tempo real). Além disso, ver sões adicionais desta arquitetura foram propostas como AE-AV1-LP e AE-AV1-MB, que são, respectivamente, uma versão de baixo consumo (low-power) e um design inovador aplicando uma técnica Multi-Boolean também introduzida nesta dissertação. Todos os projetos aqui propostos foram sintetizados usando a ferramenta Cadence™ RC e o PDK ST 65nm. Como o AV1 é conhecido por ser uma alternativa de código aberto na indús tria de codificação de vídeo, a arquitetura AE-AV1 também foi sintetizada de Verilog a layout GDSII usando um fluxo ASIC totalmente de código aberto (ou seja, ferramenta OpenROAD, fluxo OpenLane e PDKs ASAP7 e SkyWater 130nm). As arquiteturas foram capazes de atingir frequências de 581 MHz, 563 MHz e 590 MHz nas versões AE-AV1, AE-AV1-LP e AE-AV1-MB 2-bool, respectivamente. Com relação às vazões, todas as arquiteturas são capazes de processar vídeos 8K@120fps em tempo real com taxas de 1.032 Gbits/seg, 0.999 Gbits/seg e 1.117 Gbits/seg respectivamente.