Universidade Federal Do Rio Grande Do Sul Instituto De Informática Programa De Pós-Graduação Em Computação

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL INSTITUTO DE INFORMÁTICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM COMPUTAÇÃO FÁBIO LUÍS LIVI RAMOS Efficient High-Throughput and Power-Saving Hardware Architectural Design for the HEVC Entropy Encoder Ph.D. Thesis Thesis presented as partial requirement for the Ph.D. degree in Computer Science Advisor: Prof. Dr. Sergio Bampi Co-Advisor: Prof. Dr. Marcelo Schiavon Porto Porto Alegre 2019 CIP – CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO Ramos, Fábio Luís Livi Efficient High-Throughput and Power-Saving Hardware Architectural Design the HEVC Entropy Encoder / Fábio Luís Livi Ramos. -- 2019. 187 f.:il. Orientador: Sergio Bampi; Co-orientador: Marcelo Schiavon Porto. Tese (Doutorado) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Instituto de Informática, Programa de Pós-Graduação em Computação, Porto Alegre, BR – RS, 2019. 1. HEVC. 2. CABAC 3.Binary Arithmetic Encoder 4. Real-time Video Processing 5. Power-saving Hardware Design. I. Bampi, Sergio, orient. II. Porto, Marcelo Schiavon, coorient. III. Título. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL Reitor: Prof. Rui Vicente Oppermann Vice-Reitor: Prof ª. Jane Fraga Tutikian Pró-Reitor de Pós-Graduação: Prof. Celso Gianetti Loureiro Chaves Diretor do Instituto de Informática: Prof ª. Carla Maria Dal Sasso Freitas Coordenador do PPGC: Prof ª. Luciana Salete Buriol Bibliotecária-Chefe do Instituto de Informática: Beatriz Regina Bastos Haro There are places I'll remember All my life, though some have changed Some forever, not for better Some have gone, and some remain All these places had their moments With lovers and friends, I still can recall Some are dead, and some are living In my life, I've loved them all John Lennon Stop you're trying to bruise my mind I can do it on my own Stop you're trying to kill my time It's been my death since I was born I don't remember half the time If I'm hiding or I'm lost But I'm on my way, on my way Chris Cornell Toda vez que falta luz Toda a vez que algo nos falta O invisível nos salta aos olhos Um salto no escuro da piscina Humberto Gessinger I can’t see, the end of me My whole expanse, I cannot see I formulated infinity Stored deep inside me Curt Kirkwood AGRADECIMENTOS Uma tese de doutorado, apesar de ser, a grosso modo, o trabalho de uma pessoa só, requer uma rede de apoio de pessoas amadas e queridas para dar suporte durante todo o processo. De alguma forma, todas essas pessoas são coautoras desse trabalho, seja no apoio emocional e carinho dados, seja efetivamente em contribuições técnicas para essa tese, seja em ambos. Primeiramente, as duas pessoas mais importantes na minha vida, que são a minha esposa Betina e meu filho Pedro, os quais são o centro do meu universo, sem sombras de dúvidas. Minha esposa, que é, sem dúvida, minha melhor amiga e companheira, que estamos há mais de uma década juntos aprendendo juntos sobre a vida, e a quem eu amo muito! E meu filho, que fez com que minha percepção sobre o que é o amor e sobre o que é a vida mudar de uma forma como nunca antes, por quem eu tento ser um ser humano melhor, e a quem eu amo muito! Obrigado por todo o amor, carinho, ajuda e incentivo!! Sem vocês dois, nada disso teria sido possível e sem vocês dois também não teria valido a pena! Meus pais, Gregório e Rosa, e minha irmã, Renata, são parte fundamental de quem eu sou. Os agradeço por terem me dado uma criação digna, respeito, amor, carinho, por sempre terem estado presentes, sempre terem me incentivado no que tange a questão do ensino, e também pelos (merecidos) puxões de orelha. Hoje percebo como sou privilegiado de ter tido uma família como a que tive, o que nem sempre é verdade no mundo que vivemos. Obrigado por tudo, amos vocês! Meus sogros, Carmo e Leoni, e minha cunhada, Fernanda, que foram como uma segunda família para mim, igualmente sempre me apoiando em tudo desde e época do mestrado, sendo igualmente companheiros e fundamentais em quem eu sou hoje. São pessoas dignas, a quem devo meu reconhecimento e respeito. Obrigado por tudo! Meu orientador, professor Sergio Bampi, pela sua orientação, apoio e respeito ao longo de todo o processo de doutoramento, além de me ensinar pontos muitos importantes que vão além da questão técnica da orientação. Cabe destacar o seu apoio incomensurável durante o começo do doutoramento onde, por questão burocráticas, quase tive que interromper o curso. Graças a sua ajuda (literalmente comprando briga com algumas pessoas para me apoiar) pude seguir no curso da forma como planejada. Meu reconhecimento e agradecimento ao prof. Bampi! Meus co-orientadores Marcelo Porto (oficialmente) e Bruno Zatt (não oficialmente) por todo o apoio, aconselhamento e, por último, mas não menos, pela amizade. Os agradeço profundamente por toda ajuda que me deram ao longo do doutoramento, os eventos durante minhas estadias em Pelotas, e pela parceria e amizade desde a época da graduação/mestrado. As suas orientações, sem dúvida, facilitaram as decisões sobre os caminhos a seguir ao longo do doutoramento! Muito obrigado, gurizada!! A gurizada de “Imbé”, cuja a amizade vem desde a nossa época da graduação na Engenharia de Computação, especialmente: irmãos Zatt (Bruno e Gordo), Osvaldo, Kunz, Giancarlo, gêmeos (Artur e Guilherme), Nondillo e Jonas. Agradeço pela parceria e amizade. Uma pena não podermos nos ver mais tanto quanto antes, visto que cada um mora em uma parte do mundo, mas o elo e amizade continuam firmes e fortes!! Não vejo a hora de podermos nos reunir novamente em Imbé ou onde quer que seja! A gurizada do CEITEC, onde trabalhei por quase cinco anos, e onde formamos um círculo forte de amizade e respeito: Wagston, Hervé, João, Fred, Ferrão, Rohde, Rubinei, Marcelo, Zé, Lauro, Garibotti, Cyrille e Jana. Fico no aguardo para nosso próximo churrasco de confraternização! Além disso, cabe um agradecimento ao Muru e ao Alain, que foram meus gerentes durante o período que lá estive, e foram líderes dignos e justos. Também cabe meu agradecimento aos meus alunos da Unipampa, especialmente meus orientados, e mais especialmente a Camila, a Luana, e o Alessandro, cujos TCCs estiveram envolvidos no escopo dessa tese. Um reconhecimento especial ao pessoal da época do colégio militar, da época do curso de Engenharia de Computação na UFRGS, da época da Datacom, e também da época do mestrado no Laboratório 215, assim como a alguns colegas professores da Unipampa. Muitos eu acabei perdendo o contato, mas ainda tenho carinho e reconhecimento a todos. Devo também um agradecimento a algumas pessoas e entidades, seja por elas serem identitárias a meu respeito, seja por fazerem parte da minha vida de forma intrínseca: as bandas Soundgarden, Beatles, Engenheiros do Hawaii, Alice in Chains, Nirvana, Kyuss, Meat Puppets, Helmet, Raimundos, QOTSA, Pixies, Ween, Faith No More, Red Hot Chili Peppers, Led Zeppelin, Black Sabbath, Silverchair, Foo Fighters, Pearl Jam, Pantera, Rammstein, Offspring, Weezer, para citar as mais importantes. Aos artistas Van Gogh, Raul Seixas, Noel Guarany, Cenair Maicá, Júpiter Maçã, Bert Jansch, Jackson C. Frank, os comediantes do Chaves e do Hermes e Renato. Ao filme Clube da Luta e aos dois primeiros filmes do Predador e Alien. Às universidades UFRGS, Unipampa e UFpel. Às cidades de Porto Alegre, Santa Cruz do Sul, Imbé, São Borja, Canela e Bagé. Uma menção honrosa às bandas Temple of the Dog, Mad Season, Rage Against the Machine, Green Day, Legião Urbana, Titãs, Queen, Creedence Clearwater Revival, Stone Temple Pilots, Red Fang, Stoned Jesus, Morphine, Ace of Base, Banzai e Slayer, e ao artista José Mendes e Michael Jackson. Por fim, dentro da minha atual crença de vida, creio que uma coisa tão complexa como a nossa consciência não suma simplesmente ao morrer. Assim sendo, creio que as coisas podem ter um propósito e espero estar cumprindo, dentro do possível, ao meu. Agradeço por estar vivo, ter saúde, poder trabalhar, estudar, e viver com minha família e amigos momentos bons e ruins, como a vida tem que ser! Sou um privilegiado por tudo! ABSTRACT The advances in digital video processing, such as the new generation of videos resolutions, led to new challenges in order to transmit and storage the related data. In this scenario, real- time digital video processing is an important goal, which requires specific video-processing architectures to accomplish the demanded constraints. Moreover, tethered devices that transmit and receive video draw the attention to power-saving design for these architectures, due to the energy constraints of the battery-based context of these solutions. HEVC (High- Efficiency Video Coding) standard emerges as an alternative to cope with the mentioned situations involving digital video processing. In HEVC, only one entropy-encoding algorithm exists, which is the CABAC (Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding). A single high- throughput instance of a hardware CABAC block is a desirable goal in order to save power, area, and coding efficiency. Therefore, the global goal of this research is configurable high- throughput power-efficient single-instance CABAC design, where high-throughput scheme along with power saving techniques are integrated, considering a compromise trade-off between both performance and power/energy dissipation, adapting the architecture according to it. This Thesis focused on the BAE (Binary Arithmetic Encoder) block, which is the processing bottleneck of the CABAC. As a first contribution, a low-power hardware BAE design is presented, where fine-grain insertion of power-saving reduction techniques into different proposed BAE designs, leading to power savings ranging from 10-40% for different BAEs architectural designs. Towards ultra-high throughput performance, the novel Multiple- Bypass Bins Scheme (MBBS) proposition happens within the context presented, where multiple values of a particular type of BAE data (i.e., bypass bins) are processed at the same time.

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