هندسة أجهزة موفِّرة للطاقة للتحويلات الثنائية الأبعاد المتعددة في VVC

لماذا يهم هذا لشاشاتك

تشغيل فيلم بدقة 4K أو إجراء مكالمة فيديو واضحة قد يبدو سهلاً، لكن خلف المشهد يتطلب ذلك عمليات حسابية كثيفة واستهلاك طاقة كبير. مع انتقال الفيديو نحو 8K وما بعدها، قد تحرق رقائق الضغط الحالية طاقة زائدة، لا سيما في أجهزة التلفاز ومنصات الألعاب والأجهزة المحمولة. تستعرض هذه الورقة نهجاً جديداً لبناء العتاد في لب مواصفة الترميز الحديثة VVC، يقلل استهلاك الطاقة مع الحفاظ على معالجة الفيديو فائق الدقة في الوقت الحقيقي.

من البكسلات الخام إلى فيديو مرن وخفيف

كل إطار في فيديو 4K يحوي ملايين البكسلات. لو نُقلت هذه البيانات أو خُزنت كما هي لكانت الأحمال ضخمة. المعايير الحديثة مثل H.264 وHEVC والآن VVC تقلص هذه البيانات بتحويل كتل البكسلات إلى أنماط ترددية باستخدام عمليات رياضية تُدعى التحويلات. يكسب VVC ضغطاً إضافياً بتطبيق عدة نكهات من التحويل وأحجام كتل مختلفة، مختاراً الأفضل لكل منطقة من الصورة. تمنح هذه المرونة جودة صورة أفضل عند معدلات بت منخفضة، لكنها أيضاً تجعل العتاد أكثر تعقيداً واستهلاكاً للطاقة.

مشكلة الطاقة داخل رقائق الفيديو

تميل وحدات العتاد التقليدية لمحرك التحويل المتعدد في VVC إلى إبقاء مصفوفات كبيرة من المضاعفات والجامعات وكتل الذاكرة نشطة حتى عندما تكون حاجة جزء منها فقط ضرورية فعلاً. وبما أن التحويل ثنائي الأبعاد يُنجز كتمريرتين أحاديتين البُعد مع خطوة عكسية وسيطة (transpose)، فإن التصاميم الحالية غالباً ما تبقي ذاكرات العبور ومخازن المعاملات متبدِّلة لجميع أحجام الكتل، من الصغيرة 4×4 حتى 64×64. هذا النشاط المستمر يهدر الطاقة: بنوك الذاكرة غير المستخدمة لا تزال تتبدل، ووحدات الحساب تعالج مسارات بيانات خاملة، وإشارات الساعة تُغذي ممرات لا تساهم في الكتلة الحالية. هذا يقلل من مكاسب الكفاءة التي يعد بها VVC، خصوصاً في الأجهزة المدمجة والمعتمدة على البطاريات.

محرك تحويل أكثر ذكاءً

يقترح المؤلفون بنية جديدة للتحويل ثنائي الأبعاد تدعم جميع أحجام الكتل المربعة في VVC وثلاثة أنواع تحويلية رئيسية (نوعان قائمان على جيب تمام وجيب تمام متغير ونوع واحد قائم على الجيب)، مع خفض قوي في القدرة الديناميكية. في جوهرها وحدة معالجة أحادية البُعد مرنة مكوَّنة من مضاعفات وعمليات جمع مخصَّصة مبنية من منطق أساسي بدلاً من كتل إشارة رقمية عامة. تتيح هذه الاختيارات للتصميم أن يفتّح أو يغلق ممرات فردية اعتماداً على حجم الكتلة. لكتلة 4×4 تكون أربعة ممرات مضاعف فقط نشطة؛ لكتلة 8×8 ثمانية ممرات؛ ولـ16×16 وما بعدها تُفعَّل ممرات أكثر في مجموعات. تقلل هذه "عزل البوابات الانتقائي" من التبديل غير الضروري داخل شجرة الحسابات، دون التضحية بمعدل الإنتاج، بحيث يمكن للعتاد، بعد ملء خط الأنابيب، أن ينتج قيمة تحويل واحدة في كل دورة ساعة.

إعادة استخدام الذاكرة بدلاً من تكرارها

بين المرورتين الأفقي والعمودي في التحويل ثنائي الأبعاد، يجب تخزين البيانات الوسيطة ثم قراءتها بترتيب مدور (transpose). بدلاً من استخدام مخزن واحد كبير يعمل دائماً، يدخل التصميم ذاكرة تحويل هجينة موحدة (UHTM). تُقسَّم هذه الذاكرة إلى بنوك صغيرة متعددة منظمة كصفائح. يضمن منطق عنونة ذكي وصول الكتابات صفاً صفاً ومغادرة القراءات عموداً عموداً، فيُنجز العبور بمجرد كيف تُعنون المواقع بدلاً من نقل البيانات فعلياً. فقط البنوك التي تحوي الكتلة الحالية تفعَّل؛ والبقية تبقى خاملة. للكتل الصغيرة مثل 4×4 و8×8 يُستخدم بنك واحد فقط، بينما تشارك بنوك أكثر تدريجياً للكتل الأكبر، محافظين على الطاقة للعمليات الصغيرة الشائعة وقابلية التدرج حتى 64×64.

إثبات الفكرة على عتاد حقيقي

نفذ الفريق تصميمهم على رقاقة قابلة للبرمجة ميدانيًا من سلسلة Xilinx Zynq‑7000 وقيَسوا سلوكه في ظروف واقعية. بتردد يقارب 349 ميجاهرتز، يمكن للمحرك الثنائي الأبعاد الكامل معالجة فيديو 4K فائق الدقة عند 30 إطاراً في الثانية، مخرِجاً معامل تحويل واحد لكل دورة ساعة. بالرغم من دعمها لأحجام كتل وأنواع تحويل أكثر من العديد من التصاميم السابقة، تستهلك هذه الوحدة فقط 129 ميلي واط من القدرة الديناميكية، مع تكلفة طاقة تقارب 370 بيكوجول لكل عينة. تُظهر المقارنات مع عتاد منشور آخر أن التصاميم المنافسة غالباً ما تستخدم خلايا منطقية أقل لكنها تصرف طاقة أكبر بكثير، لأنها تترك العديد من وحدات الحساب وعناصر الذاكرة في تبديل دائم. هنا، تبقي إسكات الساعة دقيق الحبيبات، وعزل المعاملات، والتحكم في الذاكرة حسب البنوك على تشغيل الدوائر الضرورية فقط.

ما يعنيه هذا لأجهزة المستقبل

بكلام بسيط، يبرهن المؤلفون أن تنظيم العمل داخل الشريحة بذكاء — إطفاء ما ليس ضرورياً وإعادة استخدام نواة وذاكرة مرنة واحدة — يمكن أن يوفّر ضغط فيديو من الطراز الأول مع هدر طاقة أقل بكثير. تدعم البنية مجموعة كاملة من تحويلات VVC وأحجامها، وتعمل بسرعات عالية، ومناسبة جيداً للأنظمة المقيدة بالطاقة مثل صناديق الاستقبال، بوابات المنازل والأجهزة المحمولة. مع مزيد من التحسينات وتصنيع شرائح مخصصة، قد تساعد أفكار مماثلة عتاد الفيديو المستقبلي على مواكبة ارتفاع الدقات ومعدلات الإطارات من دون تسخين البطاريات أو زيادة فواتير الطاقة.

الاستشهاد: Palagani, M.B., Nalluri, P. Power-efficient hardware architecture for 2-D multiple transforms in VVC. Sci Rep 16, 9908 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40519-1

الكلمات المفتاحية: أجهزة ضغط الفيديو, الترميز الفيديوي المتعدد الاستخدامات (VVC), تصميم FPGA منخفض الطاقة, هندسة تحويل ثنائي الأبعاد, معالجة 4K فائق الدقة