Trinnov Cena Luksusowego dźwięku

Niniejszy artykuł omawia różnice w rozwiązaniach sprzętowych stosowanych w procesorach audio klasy premium oraz ich wpływ na koszt końcowy urządzenia. Autor porównuje m.in. układy DSP (np. Sharc od Analog Devices czy K2G od Texas Instruments) z architekturami opartymi na procesorach CPU (takich jak Intel Core i3/i5), wskazując zależność między mocą obliczeniową (liczoną w GFLOPS), ceną w przeliczeniu na jednostkę tej mocy oraz dostępną pamięcią wewnętrzną. Podkreśla znaczenie wystarczającej ilości pamięci podręcznej (cache) w przetwarzaniu audio w czasie rzeczywistym, a także potrzebę planowania systemu z myślą o przyszłych aktualizacjach i rozwoju nowych technologii. W artykule zaznaczono, że choć jednostkowy koszt procesorów CPU może być wyższy, to zapewniają one większą elastyczność, moc obliczeniową i perspektywę długowieczności, co przekłada się na lepszą opłacalność w kontekście luksusowych instalacji AV.

Autorem artykułu jest Arnaud Laborie, współzałożyciel i dyrektor generalny (CEO) firmy Trinnov Audio. Firmy będącej pionierem w dziedzinie dźwięku 3D i korekcji akustyki — już w 2001 roku współtworzył pierwszy układ audio o wysokiej rozdzielczości przestrzennej. Ma ponad dwadzieścia lat doświadczenia w projektowaniu urządzeń audio, a jego osiągnięcia naukowe i wkład w rozwój branży znajdują potwierdzenie w ponad 50 przyznanych mu patentach oraz ponad 20 publikacjach, w tym dla Audio Engineering Society. Arnaud był także głównym autorem technicznym sekcji dotyczącej rozmieszczenia głośników w dokumencie CEDIA/CTA RP22 „Multi-Channel Audio Room Design Recommended Best Practice” i od dekady działa jako instruktor w organizacji CEDIA.

Cena luksusowego dźwięku – dlaczego warto inwestować w moc przetwarzania audio?

Wiele cech technologii luksusowych jest wysoce subiektywnych: elegancka estetyka, intensywne doznania sensoryczne i intuicyjna obsługa. Konkretne elementy składające się na te doświadczenia różnią się w zależności od klienta, a stworzenie idealnej atmosfery wymaga artystycznego podejścia. Jednak niektóre filary luksusowego doświadczenia są obiektywne, mierzalne i niepodważalne. W przypadku immersyjnego dźwięku moc przetwarzania ma bezpośredni wpływ na jakość i funkcjonalność systemu.

Moc obliczeniowa i architektura procesora mogą stanowić nawet dziesięciokrotną różnicę w cenie procesora AV, dlatego specjaliści od systemów integracyjnych powinni dokładnie rozumieć, za co proszą klientów o zapłatę. W tym artykule zagłębimy się w projektowanie układów scalonych, pamięć komputerową, operacje zmiennoprzecinkowe na sekundę (GFLOPS) i inne skomplikowane aspekty matematyczne oraz obliczeniowe. Jednak nigdy nie należy zapominać o głównym celu: niezapomnianym doświadczeniu immersyjnego dźwięku – niezależnie od tego, czy chodzi o muzykę, filmy, czy cokolwiek innego – z dowolnego miejsca w strefie odsłuchowej. Ten cel jest wart każdej ilości matematycznych obliczeń.

Wraz z pojawieniem się immersyjnego dźwięku i dużej liczby kanałów, moc obliczeniowa stała się kluczowym elementem procesorów AV klasy high-end. Dzisiejsze najwyższej klasy procesory muszą jednocześnie obsługiwać dźwięk wysokiej rozdzielczości (96 kHz i 192 kHz), renderowanie i upmixing dla nawet 34 kanałów oraz zaawansowaną korekcję akustyczną i aktywną akustykę pomieszczenia.

Bez odpowiedniej mocy obliczeniowej te ekstremalne wymagania mogą negatywnie wpłynąć na jakość dźwięku. W zależności od architektury układu procesora AV, urządzenie może mieć wbudowane kompromisy implementacyjne, które pozwalają na jednoczesne spełnianie tych intensywnych wymagań.

Do typowych ograniczeń, wprowadzanych w celu zrekompensowania niedostatków mocy obliczeniowej, należą:

• Ograniczenie liczby renderowanych kanałów dźwięku immersyjnego do 24 lub mniej, co zmniejsza rozdzielczość przestrzenną
• Ograniczenie rozdzielczości częstotliwościowej filtrów FIR, co pogarsza rozdzielczość w zakresie niskich częstotliwości i kontrolę w dziedzinie czasu.
• Rezygnacja z przetwarzania dźwięku wysokiej rozdzielczości w natywnych częstotliwościach 96 kHz lub 192 kHz.
• Zastosowanie 32-bitowych operacji zmiennoprzecinkowych zamiast 64-bitowych, co potencjalnie może wprowadzać artefakty dźwiękowe.
• Wykluczenie niektórych głośników z cyfrowej korekcji pomieszczenia lub aktywnej korekcji akustyki.

Projektując system audio i ustalając budżet, zapytaj klienta, które z tych kompromisów są dla niego akceptowalne. Nie każdemu zależy na bezkompromisowym brzmieniu, ale jeśli celem jest doskonały system audio bez żadnych ustępstw, konieczna będzie ogromna moc obliczeniowa.

Surowa moc obliczeniowa jest mierzona w gigaflopsach (GFLOPS). Teoretyczna moc obliczeniowa urządzenia zależy od typu i liczby zastosowanych w nim układów — choć w praktyce ogromną rolę odgrywają architektura i implementacja.

Warto przyjrzeć się kilku konkretnym przykładom dla rzetelnego porównania. Popularna seria ADSP-214xx Sharc (4. generacja) od Analog Devices, np. ADSP-21489, pracuje z częstotliwością 450 MHz i może osiągnąć średnią wydajność obliczeniową na poziomie do 1,8 GFLOPS oraz szczytowo do 2,7 GFLOPS. Ten układ często stosowany jest samodzielnie w ekonomicznych procesorach AV opartych na DSP. Bardziej zaawansowane procesory korzystają z układów DSP w konfiguracjach dwójkowych lub czwórkowych, zapewniając do 6–12 GFLOPS mocy obliczeniowej w trybie szczytowym. Przykładem są jednordzeniowe ADSP-21569 oraz ADSP-21593 — system-on-chip (SoC) łączący procesor ARM (Cortex-A5) z dwurdzeniowym Sharc+ DSP. Takie DSP i SoC to częsty wybór w procesorach AV oferujących zaawansowane funkcje post-processingu audio, np. cyfrową korekcję akustyki pomieszczenia (digital room correction).

Na wyższym poziomie mocy znajduje się Texas Instruments K2G (66AK2G12), jeden z najwydajniejszych zintegrowanych układów DSP przeznaczonych do przetwarzania audio. Zawiera dwa rdzenie ARM Cortex-A15 oraz rdzeń DSP C66x pracujący z częstotliwością do 1,2 GHz, co pozwala na osiągnięcie do 19,2 GFLOPS w zastosowaniach audio. Ten chipset spotykany jest w procesorach z wyższej półki, zaprojektowanych do obsługi dużej liczby kanałów, dekodowania dźwięku w formatach immersyjnych oraz upmixingu.

Zestawy bazujące na wielu układach DSP mają jednak pewne ograniczenia w porównaniu z pojedynczym układem. Konieczne są w nich złożone połączenia, protokoły komunikacyjne i synchronizacja między dwoma lub czterema niezależnymi układami DSP. Komunikacja między wieloma DSP może wprowadzać opóźnienia oraz dodatkowe obciążenie, co negatywnie wpływa na wydajność przetwarzania audio. Alternatywnym rozwiązaniem jest zastosowanie pojedynczego, wysokowydajnego procesora CPU zamiast wielu układów DSP.

Trzeba jednak zaznaczyć, że mocny CPU jest zazwyczaj dziesięć razy droższy niż typowy układ DSP, ale oferuje też dziesięciokrotnie wyższą moc obliczeniową. Przyjmując ostrożne szacunki, procesor Intel Core i3-12100 (12. generacja i3), czyli jednostka 4-rdzeniowa z 8 wątkami, osiąga maksymalną wydajność na poziomie około 211 GFLOPS. Jego „starszy brat”, Intel Core i5-12400 (12. generacja i5) — 6-rdzeniowy, 12-wątkowy procesor oparty na architekturze Alder Lake — dysponuje mocą rzędu 240 GFLOPS, a w szczycie nawet 422 GFLOPS przy 4,4 GHz z Intel Turbo Boost. Te układy mają więcej niż wystarczająco mocy obliczeniowej, by równolegle obsługiwać wiele wymagających zadań. Co więcej, dzięki architekturze opartej na jednym procesorze, wewnętrzna pamięć jest współdzielona przez wszystkie rdzenie, przez co każde dane są natychmiast dostępne dla każdego rdzenia, eliminując opóźnienia i dodatkowe obciążenie związane z komunikacją.

Choć dokładne ceny detaliczne (MSRP) zmieniają się w czasie i zależą od producenta, Wykresy 1 i 2 pokazują przybliżony koszt przetwarzania dla popularnych architektur układów. Jeśli spojrzeć na koszt procesorów audio w przeliczeniu na cenę za GFLOPS, architektury oparte na pojedynczym procesorze CPU zawsze wypadają niezwykle korzystnie.

Wykres 2: Koszt przetwarzania

Pamięć wewnętrzna i zewnętrzna układu mają znaczący wpływ na wydajność procesora. Pamięć wewnętrzna odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu wysokiej prędkości przetwarzania w czasie rzeczywistym. Mówiąc wprost: nie ma znaczenia, jak duża jest surowa moc obliczeniowa układu, jeśli musi on czekać na dane i instrukcje programu.

Pamięć wewnętrzna, zwana także pamięcią podręczną (cache), stanowi warstwę szybkiego buforowania, w której tymczasowo przechowywane są często używane dane i instrukcje, co skraca czas potrzebny na pobranie tych informacji z pamięci głównej. W przypadku przetwarzania audio w czasie rzeczywistym pamięć podręczna zapewnia płynną i nieprzerwaną obróbkę sygnału. Ma to szczególne znaczenie w kontekście długich filtrów FIR. Wszystkie współczynniki filtru FIR, wszystkie próbki audio oraz wszystkie instrukcje przetwarzania muszą w całości mieścić się w pamięci wewnętrznej, aby osiągnąć maksymalną wydajność. Jeśli pamięci wewnętrznej jest za mało, procesor będzie tracił mnóstwo cykli obliczeniowych na oczekiwanie, aż brakujące dane zostaną pobrane z pamięci zewnętrznej.

Pamięć zewnętrzna umożliwia procesorowi wykonywanie rozbudowanych algorytmów z dużą liczbą instrukcji. Często procesory używają jej także do implementowania akceleratorów obliczeniowych, na przykład poprzez tworzenie tablic wyszukiwania (look-up tables) z wcześniej obliczonymi wynikami w celu zminimalizowania czasu przetwarzania.

Bez względu na sposób liczenia, wysokiej klasy procesor audio stanowi istotną część inwestycji w system AV Twojego klienta. Dlatego niezwykle ważne jest, by wybrany procesor dysponował wystarczającymi zasobami pamięci i mocy obliczeniowej, pozwalającymi na obsługę przyszłych, wymagających technologii. Dziedzina reprodukcji dźwięku nie jest nauką zamkniętą. W ciągu minionych dwóch dekad dokonaliśmy ogromnych postępów w obszarze aktywnej akustyki i spodziewamy się dalszego przyspieszenia rozwoju w nadchodzących 20 latach. Planowane postarzanie produktu jest sprzeczne z ideą luksusowych rozwiązań. Rekomendowany przez Ciebie procesor musi zapewniać przestrzeń na przyszłe aktualizacje — co przy okazji stworzy dodatkowe możliwości świadczenia usług strojenia pomieszczeń i modernizacji w przyszłości.

Przykładem takiego zaawansowanego procesora kinowego są m.in:

• Trinnov Altitude 16
• Trinnov Altitude 32

Procesor ten znajduje się w naszej sali demonstracyjnej Showroom.

Jeśli jesteś zainteresowany takim produktem – skontaktuj się z nami.