Feasibility Study of High-Level Synthesis : Implementation of a Real-Time HEVC Intra Encoder on FPGA

High-Level Synthesis (HLS) on automatisoitu suunnitteluprosessi, joka pyrkii parantamaan tuottavuutta perinteisiin suunnittelumenetelmiin verrattuna, nostamalla suunnittelun abstraktiota rekisterisiirtotasolta (RTL) käyttäytymistasolle. Erilaisia kaupallisia HLS-työkaluja on ollut markkinoilla aina 1990-luvulta lähtien, mutta vasta äskettäin ne ovat alkaneet saada hyväksyntää teollisuudessa sekä akateemisessa maailmassa. Hidas käyttöönottoaste on johtunut pääasiassa huonommasta tulosten laadusta (QoR) kuin mitä on ollut mahdollista tavanomaisilla laitteistokuvauskielillä (HDL). Uusimmat HLS-työkalusukupolvet ovat kuitenkin kaventaneet QoR-aukkoa huomattavasti. Tämä väitöskirja tutkii HLS:n soveltuvuutta videokoodekkien kehittämiseen. Se esittelee useita HLS-toteutuksia High Efficiency Video Coding (HEVC) -koodaukselle, joka on keskeinen mahdollistava tekniikka lukuisille nykyaikaisille mediasovelluksille. HEVC kaksinkertaistaa koodaustehokkuuden edeltäjäänsä Advanced Video Coding (AVC) -standardiin verrattuna, saavuttaen silti saman subjektiivisen visuaalisen laadun. Tämä tyypillisesti saavutetaan huomattavalla laskennallisella lisäkustannuksella. Siksi reaaliaikainen HEVC vaatii automatisoituja suunnittelumenetelmiä, joita voidaan käyttää rautatoteutus- (HW ) ja varmennustyön minimoimiseen. Tässä väitöskirjassa ehdotetaan HLS:n käyttöä koko enkooderin suunnitteluprosessissa. Dataintensiivisistä koodaustyökaluista, kuten intra-ennustus ja diskreetit muunnokset, myös enemmän kontrollia vaativiin kokonaisuuksiin, kuten entropiakoodaukseen. Avoimen lähdekoodin Kvazaar HEVC -enkooderin C-lähdekoodia hyödynnetään tässä työssä referenssinä HLS-suunnittelulle sekä toteutuksen varmentamisessa. Suorituskykytulokset saadaan ja raportoidaan ohjelmoitavalla porttimatriisilla (FPGA). Tämän väitöskirjan tärkein tuotos on HEVC intra enkooderin prototyyppi. Prototyyppi koostuu Nokia AirFrame Cloud Server palvelimesta, varustettuna kahdella 2.4 GHz:n 14-ytiminen Intel Xeon prosessorilla, sekä kahdesta Intel Arria 10 GX FPGA kiihdytinkortista, jotka voidaan kytkeä serveriin käyttäen joko peripheral component interconnect express (PCIe) liitäntää tai 40 gigabitin Ethernettiä. Prototyyppijärjestelmä saavuttaa reaaliaikaisen 4K enkoodausnopeuden, jopa 120 kuvaa sekunnissa. Lisäksi järjestelmän suorituskykyä on helppo skaalata paremmaksi lisäämällä järjestelmään käytännössä minkä tahansa määrän verkkoon kytkettäviä FPGA-kortteja. Monimutkaisen HEVC:n tehokas mallinnus ja sen monipuolisten ominaisuuksien mukauttaminen reaaliaikaiselle HW HEVC enkooderille ei ole triviaali tehtävä, koska HW-toteutukset ovat perinteisesti erittäin aikaa vieviä. Tämä väitöskirja osoittaa, että HLS:n avulla pystytään nopeuttamaan kehitysaikaa, tarjoamaan ennen näkemätöntä suunnittelun skaalautuvuutta, ja silti osoittamaan kilpailukykyisiä QoR-arvoja ja absoluuttista suorituskykyä verrattuna olemassa oleviin toteutuksiin.High-Level Synthesis (HLS) is an automated design process that seeks to improve productivity over traditional design methods by increasing design abstraction from register transfer level (RTL) to behavioural level. Various commercial HLS tools have been available on the market since the 1990s, but only recently they have started to gain adoption across industry and academia. The slow adoption rate has mainly stemmed from lower quality of results (QoR) than obtained with conventional hardware description languages (HDLs). However, the latest HLS tool generations have substantially narrowed the QoR gap. This thesis studies the feasibility of HLS in video codec development. It introduces several HLS implementations for High Efficiency Video Coding (HEVC) , that is the key enabling technology for numerous modern media applications. HEVC doubles the coding efficiency over its predecessor Advanced Video Coding (AVC) standard for the same subjective visual quality, but typically at the cost of considerably higher computational complexity. Therefore, real-time HEVC calls for automated design methodologies that can be used to minimize the HW implementation and verification effort. This thesis proposes to use HLS throughout the whole encoder design process. From data-intensive coding tools, like intra prediction and discrete transforms, to more control-oriented tools, such as entropy coding. The C source code of the open-source Kvazaar HEVC encoder serves as a design entry point for the HLS flow, and it is also utilized in design verification. The performance results are gathered with and reported for field programmable gate array (FPGA) . The main contribution of this thesis is an HEVC intra encoder prototype that is built on a Nokia AirFrame Cloud Server equipped with 2.4 GHz dual 14-core Intel Xeon processors and two Intel Arria 10 GX FPGA Development Kits, that can be connected to the server via peripheral component interconnect express (PCIe) generation 3 or 40 Gigabit Ethernet. The proof-of-concept system achieves real-time. 4K coding speed up to 120 fps, which can be further scaled up by adding practically any number of network-connected FPGA cards. Overcoming the complexity of HEVC and customizing its rich features for a real-time HEVC encoder implementation on hardware is not a trivial task, as hardware development has traditionally turned out to be very time-consuming. This thesis shows that HLS is able to boost the development time, provide previously unseen design scalability, and still result in competitive performance and QoR over state-of-the-art hardware implementations