Jak poczęto platformę Creative X-Fi

tłumaczenie dla serwisu benchmark.pl przez translatornia.pl

O tym jak poczęto platformę X-Fi, jak przebiegał jej rozwój i jak ujrzała ona światło dzienne.
Dr. Michael Lee - Kierownik Ośrodka Technologii Zaawansowanej firmy Creative

Wiele osób uważa, że projektowanie układu scalonego jest przedsięwzięciem w głównej mierze naukowym i technologicznym. Bez wątpienia nauka i technologia odgrywają kluczową rolę we wdrażaniu celów projektu; pytanie jednak brzmi jak owe cele najpierw określić? Skoro czas potrzebny na zaprojektowanie układu, czyli od momentu pierwszego spotkania projektantów do powstania produktu końcowego, wynosi od 3 do 5 lat -skąd można wiedzieć jakie będą wymagania rynku w tak odległej przyszłości? Jest zatem oczywiste, że najważniejszym talentem potrzebnym do zaprojektowania udanego układu jest umiejętność wróżenia ze szklanej kuli. Biorąc pod uwagę tempo rozwoju rynku PC, niezwykle trudno jest określić jak będzie on wyglądał, jak użytkownicy będą korzystać z komputerów i jakie możliwości będą posiadały programy przyszłości. Dlatego właśnie Creative jest firmą wyjątkową zarówno pod względem umiejętności, jak i zaangażowania we wprowadzanie inżynierii dźwięku na nowe obszary, poprzez najbardziej nowatorskie konstrukcje układów scalonych.

Udowadnialiśmy to przez ostatnie 20 lat i oto znów znajdujemy się u progu kolejnego olbrzymiego skoku w przyszłość w dziedzinie funkcjonalności i wydajności dźwięku.

W niniejszym artykule odbędziemy krótką podróż w czasie i pokażemy wam drogę do dzisiejszego X-Fi. Powiemy wam, jak ustalaliśmy cele projektu X-Fi, jakie to były cele, oraz jakie narzędzia i techniki zostały zastosowane przy jego powstawaniu.

Jedynym celem istnienia ośrodka ATC jest nieustanne wprowadzanie nowych pomysłów do produktów firmy Creative. Grupa ta została stworzona w 1994 roku przez założyciela firmy EMU, Dave'a Rossuma, tuż po przejęciu EMU przez firmę Creative. Wtedy to Rossum rozpoczął proces budowania elitarnej instytucji badawczo-naukowej, rekrutując najwyższej klasy naukowców i inżynierów zarówno z branży przemysłowej jak i naukowej.

W chwili obecnej, ATC zatrudnia 60 osób w czterech działach: integracji wielkoskalowej bardzo dużego stopnia/mikroprogramów - (VLSI/FW), operacyjnym, oprogramowania i badań dźwięku. ATC jest dostawcą pełnego zakresu technologii poczynając od układów IP, VLSI, FW i architektur FW, DSP, oraz architektur 3D, a kończąc na aplikacjach SW, sterownikach i architekturze systemu, które to technologie dostarcza do wszystkich grup produktów Creative.

W skład grupy badawczej wchodzi 11 doktorów nauk, którzy publikują swoje prace i aktywnie uczestniczą w działalności najważniejszych środowisk przemysłowych i zajmujących się badaniem dźwięku. Kadra składa się z pracowników z całego świata, wielu z nich jest członkami najlepszych instytucji zajmujących się muzyką komputerową takich jak CCARMA (Center for Computer Research in Music and Acoustics) w Stanford, IRCAM (Institut de Recherche et Coordination Acoustique/Musique) w Paryżu i CNMAT (Center for New Music and Audio Technologies) w Berkeley. Wielu członków personelu technicznego ATC to wykształceni muzycy, których wspólną pasją jest muzyka.

Architektura X-Fi wywodzi się z długiej i udanej linii cyfrowych procesorów sygnałów audio (DSP). I w przeciwieństwie do sytuacji znanej dzisiaj z tak wielu firm, wielu spośród najważniejszych konstruktorów, którzy pracowali nad procesorami EMU8000, EMU10Kx oraz Audigy, nadal pracuje w Creative ATC i odgrywało ważną rolę w konstruowaniu X-Fi. Zespół ten zawsze potrafił nieustannie podnosić poprzeczkę technologiczną, w ten sposób przewidując, ale i wyznaczając kierunek branży audio komputerów PC.

W roku 1994 zespół wprowadził EMU8000, dając użytkownikowi masowemu syntezę tablicową z efektem pogłosu i chorusem. Łatwo teraz patrząc wstecz drwić sobie z wagi tego osiągnięcia, ale to właśnie wtedy po raz pierwszy zastosowano próbki prawdziwych dźwięków do odtwarzania na komputerze PC muzyki opartej na MIDI, a - co najważniejsze - możliwości te były teraz dostępne w przedziale cenowym o setki dolarów niższym od tego, co trzeba było zapłacić przed wypuszczeniem procesora EMU8000.

W roku 1998 zespół wprowadził architekturę EMU10Kx, która kładła nacisk na dźwięk trójwymiarowy oraz na obsługę dźwiękową otoczenia (environmental audio). Wtedy to po raz pierwszy można było manipulować dźwiękiem z poziomu sprzętowego w czasie rzeczywistym, a układ scalony był ogromnie wydajny (odpowiednik procesora Pentium 166MHz). Na fali trendów trójwymiarowego dźwięku interaktywnego, zespół wypuścił w roku 2001 procesor Audigy. Wraz z procesorem Audigy (będącym aktualnie w sprzedaży), zespół wprowadził dźwięk o zaawansowanej rozdzielczości (Advanced High Definition Audio) z systemem EAX 4.0 oraz wydajność sięgającą 24bit/192KHz .

Podsumowując; zespół potrafił nieustannie przewidywać i dyktować trendy w dziedzinie dźwięku komputerów PC oraz tworzyć rozwiązania procesorów dźwięku o wyjątkowych możliwościach dźwiękowych w cenach prawdziwie masowych. Znamiennym jest, że przez ostatnich 10 lat żadna inna firma nie opracowała technologii i procesorów dźwięku zbliżonych do produktów firmy Creative. Żadna inna firma nie wykazała również podobnego zaangażowania w rozwijanie technologii dźwięku.

Idąc za ciosem, którym było wypuszczenie platformy Audigy, zespół konstruktorski X-Fi - nie spoczywając na laurach - zabrał się do podboju kolejnych obszarów. Tylko na co teraz przyszła kolej?

Nikt nie stoi w miejscu - a zwłaszcza nie konkurencja. Zarówno architektury sprzętowe, jak i programowe - a także rynek - ewoluowały poza firmą Creative, w związku z czym, po raz kolejny, firma musiała podnieść poprzeczkę i zabezpieczyć się na przyszłość przed ciągle zmieniającym się środowiskiem operacyjnym wokół firmy. Dalej omówimy niektóre trendy w dziedzinie sprzętu, oprogramowania, ogólnych systemów audio oraz aplikacji, które wzięto pod uwagę przy wyznaczaniu zadań konstrukcyjnych X-Fi.

Na froncie sprzętowym procesory komputerów macierzystych stawały się coraz szybsze. Ewoluował dźwięk komputerów macierzystych. Pamięć ciągle zyskiwała na gęstości i prędkości, podczas gdy ceny spadały, a architektura płyt głównych nieustannie się zmieniała, aby lepiej obsługiwać trendy sieciowe i systemowe.

Jeśli chodzi o oprogramowanie; firma Microsoft właśnie przestawiała się z jednej architektury sterowników (VxD) na następną (WDM). Kontynuacja trendu zmierzającego do wprowadzenia nowych systemów operacyjnych wydawała się gwarantowana. Poza tym ciągle pojawiały się konkurencyjne interfejsy API, jak np. OpenAL czy DirectSound, a użytkownicy masowi cały czas otrzymywali nowe formaty kompresji danych dźwiękowych.

Poza czynnikami sprzętowymi i programowymi, również tendencje w przestrzeni urządzeń audio napędzały przyszłe wymagania. Wśród najistotniejszych trendów w tej dziedzinie można było dostrzec większą liczbę kanałów, wyższe częsotliwości próbkowania, wyższe rozdzielczości próbek oraz analogową jakość. Trzeba pamiętać, że kiedy firma Creative wypuszczała pierwszą kartę Sound Blaster AWE32, to jej stosunek sygnału do szumu wynosił ~80dB. Dzisiejszy Sound Blaster Audigy 2 ZS zapewnia stosunek sygnału do szumu na poziomie 108dB, co oznacza aż 25-krotną poprawę jakości. A wszystko to przy nieustannym skracaniu cyklu rozwojowego produktów. Ponadto pojawiały się nowe kategorie produktów - samodzielne urządzenia audio, rozwiązania USB i konsole.

Abstrahując od tendencji technologicznych, w dziedzinie aplikacji również widocznych było kilka trendów, które trzeba było wziąć pod uwagę podczas projektowania. W chwili wypuszczenia Audigy gry komputerowe miały już ugruntowaną pozycję kluczowej dziedziny aplikacji. Popyt na urządzenia audio do komputerów PC zaczynała jednak napędzać rozrywka i komputerowe aplikacje służące do tworzenia muzyki.

Firma Creative historycznie rzecz biorąc ma jasną wizję dotyczącą potrzeb graczy. Głośno i wyraźnie słyszała więc żądania większej liczby głosów 3D i poprawy przetwarzania trójwymiarowego. Również wołania o ulepszenie EAX oraz doznań na słuchawkach stanowiły wyraźne komunikaty. I co najważniejsze, firma Creative podjęła wyzwanie związane z czystą wydajnością: FPS (Liczba ramek na sekundę).

Ciągle pojawiały się aplikacje rozrywkowe. Coraz większa liczba użytkowników zaczynała oglądać filmy DVD i wykorzystywać komputer PC do innych form wielokanałowych. Formaty kompresji audio, takie jak MP3 oraz WMA, zapoczątkowały nowe sposoby wykorzystywania peceta do odsłuchu i pozyskiwania dźwięku.

Na froncie tworzenia dźwięku, moc pecetów dopiero zaczynała wystarczać do obsługi solidnych aplikacji cyfrowej obróbki dźwięku. Wyższe częstotliwości próbkowania, wyższe rozdzielczości próbek oraz większa liczba wejść i wyjść stawały się elementami kluczowymi na tym polu. Coraz większa liczba muzyków zaczynała wykorzystywać do tego celu pakiety syntezy programowej.

Po rozważeniu wszystkich tendencji jedno stało się jasne: istniejące architektury były najwyraźniej niewystarczające, aby sprostać przyszłym wymogom. Potrzeba nam było nowej architektury o elastyczności wystarczającej, aby mogła ona podejmować wyzwania dnia dzisiejszego i jutrzejszego.

Oto niektóre spośród kluczowych zadań projektowych X-Fi:

• optymalny stosunek ceny układu do jego wydajności : zgodnie z tradycją firmy Creative należało jak zwykle dostarczyć naszym klientom produkt najwyższej wartości. Wiadomo było, że aby upchnąć potrzebne elementy w jednym procesorze i przy odpowiednim progu cenowym, będziemy musieli skorzystać z najnowszych narzędzi i osiągnięć technologii VLSI (Very Large-Scale Integration),
   
• dynamiczny skok wydajności w sektorze podstawowym: Jeśli chodzi o naszych podstawowych użytkowników - graczy - wiedzieliśmy, że ci wciąż łakną czystej wydajności, i że wszelka poprawa odbioru ramek na sekundę będzie stanowiła klucz do sukcesu. Aby jednak przyciągnąć więcej użytkowników spoza owej grupy podstawowej, musieliśmy znaleźć sposoby aby zaoferować pokaźne i oczekiwane korzyści w przypadku bardziej ogólnych zastosowań audio,
   
• elastyczna architektura: Już wcześniej na kilku frontach doświadczyliśmy wpływu radykalnych zmian w architekturach pecetów i systemów operacyjnych, więc potrzebne nam było rozwiązanie, które mogłoby zapobiec ich ujemnym wpływom. Poza tym w miarę pojawiania się nowych kategorii produktów - jak np. gry konsolowe - wiedzieliśmy, że musimy mieć gotowe rozwiązanie dla owych pozapecetowych zastosowań. I wreszcie musieliśmy zaoferować produkt zapewniający najlepsze doznania niezależnie od zastosowania - w przeciwieństwie do obowiązującego dziś w świecie dźwięku modelu, wedle którego oferuje się rewelacyjne możliwości w zastosowaniach podstawowych, plus drugorzędną wydajność w pozostałych zastosowaniach,
   
• optymalizacja sprzętowo-programowa: X-Fi to nie tylko rozwiązanie sprzętowe. W końcu przecież sprzęt będzie musiał być komunikować się z systemem operacyjnym, w którym mieszka. To jest zadanie systemu sterowników i oprogramowania wyższego poziomu, a wydajność całego systemu zależy od tego, jak będziemy potrafili zoptymalizować komunikację pomiędzy naszymi własnymi sterownikami a sprzętem. Jest to warunek konieczny dla wyciągnięcia jak największej wydajności z danego systemu operacyjnego (oraz dla obejścia wszelkich wad systemu operacyjnego lub architektury komputera),
   
• elastyczne kierowanie sygnału: szeroka gama aplikacji, które mają być obsługiwane, ma różne wymagania, a zatem i różne topologie sygnału. Dzięki elastycznemu kierowaniu sygnału możemy realizować grafy o dowolnej złożoności i wychodzić naprzeciw potrzebom aplikacji znanych nam już dziś oraz nieznanych aplikacji jutra,
   
• mocny cyfrowy procesor sygnałowy (DSP): Nie wystarczy już jakikolwiek stary procesor DSP. W ramach naszej analizy zastosowań dźwiękowych określiliśmy najczęstsze operacje typowo dźwiękowe. Poprzez wbudowanie tych operacji w listę rozkazów procesora DSP, możemy uzyskać wyższą wydajność niż w przypadku procesorów ogólnego zastosowania. Poza tym dzięki naturze konstrukcyjnej procesora DSP, możemy utrzymywać warunki szczytowej wartości obciążenia przez dłuższy czas niż w przypadku konstrukcji procesora ogólnego, co ostatecznie daje wyższą przepustowość i skuteczną moc obliczeniową (MIPS lub FLOPS),
   
• obsługa sprzętowa dźwięku pozycyjnego: Podobnie jak naturalne sceny wizualne, otaczające nas naturalne środowisko dźwiękowe składa się ze zbioru obiektów, które albo emitują, albo odbijają dźwięki w złożony sposób. I tak jak modelowanie i rendering złożonych scenerii wizualnych, również realizacja wiarygodnych scenerii dźwiękowych wymaga modelowania nie tylko źródeł dźwięku, ale również złożonych relacji wzajemnych pomiędzy obiektami w otoczeniu słuchowym. Wiele czynników, jak np. przeszkody i zamknięcia, odgrywa zasadniczą rolę w uzyskiwaniu odczucia zanurzenia. W grach każde źródło wymaga niezależnego, ciągłego i dynamicznego przetwarzania, aby odpowiednio reagowało na każdy ruch gracza i obiektów wokół niego,
   
• zaawansowana konstrukcja przetworników częstotliwości próbkowania (SRC): Przetworniki SRC (Sample Rate Converters) wykorzystuje się na kilka sposobów do neutralizowania problemów związanych z systemem operacyjnym oraz z PCI, jak również w celu wykorzystania wyższej jakości przetworników cyfrowo-analogowych (DAC). W aktualnym modelu dźwiękowym przetworniki SRC postrzegane są jako zło konieczne, którego należy unikać gdzie się da. Wraz z nową architekturą X-Fi chcieliśmy zaoferować proces przetwarzania SRC tak wydajny i precyzyjny, żeby był on niewykrywalny, stając się tym samym elementem koniecznym, którego użytkownicy będą się domagać, zamiast go unikać,
   
• inteligentny dostęp bezpośredni do pamięci (DMA): równoważy problemy związane z systemem operacyjnym oraz z PCI,
  
• zaawansowane filtry: Zaawansowane filtry do obsługi wysoce złożonych modeli pogłosu oraz efektów przestrzennych. W ten sposób mogliśmy zaoferować najbogatsze, najbardziej realistyczne środowiska dźwiękowe w historii i to za pomocą dowolnego sprzętu odtwarzającego, począwszy od głośników 7.1, a na słuchawkach skończywszy.

X-Fi było bardzo poważnym przedsięwzięciem. Creative nie tylko zainwestował lata wysiłku w powstawanie X-Fi, ale także w najnowsze narzędzia i rozwój technologii.

Jedną z najważniejszych kwestii jest to, że grupa korzystała z formy nowatorskiego projektowania sprzętu i oprogramowania. W jej początkowej fazie, inżynierowie VLSI i autorzy driverów uczestniczyli we wspólnych sesjach mających na celu zapewnienie optymalnej koordynacji pomiędzy działami sprzętu i oprogramowania.

Gdy nadeszła pora projektowania VLSI, grupa wdrożyła najnowsze narzędzia i praktyki. Projekt logiczny został przeprowadzony mając na uwadze weryfikację i wytwarzanie. Grupa wykorzystała behawioralny model symulacji, aby zatwierdzić wczesne projekty.

Użyto emulatora QuickTurn w celu sprawdzenia początkowych projektów z udziałem prawdziwego oprogramowania. Emulator QuickTurn to logiczny symulator sprzętowy, który zawiera logiczny analizator sprzętu i posiada wbudowaną pamięć fizyczną. ATC może pochwalić się konfiguracją 296 FPGA (programowalnych układów logicznych) i połączeniem z PC za pomocą magistrali PCI. W przypadku projektu X-Fi, emulator został użyty z następujących powodów: weryfikacji układu, opracowywania sterowników i DSP. QuickTurn umożliwił projektowanie sprzętu i tysiąckrotnie przyspieszoną weryfikację. Z kolei grupa tworząca sterowniki, dzięki QuickTurn, mogła pracować skutecznie nad funkcjonalnością jeszcze zanim otrzymano krzem. Dzięki wykryciu błędów w układzie przez grupę opracowującą sterowniki, mogły one zostać usunięte zanim wyprodukowano chip. Pozwoliło to zredukować koszty tysiąc razy w stosunku do tych, które trzeba byłoby ponieść podczas eliminowania błędów w już wyprodukowanych układach. Szacuje się, że około 100K linii kodu Windows zostało napisanych zanim otrzymano pierwszy układ. W końcu, grupa odpowiedzialna za DSP była w stanie opracować kod produkcji przed otrzymaniem chipu.

Zaawansowane techniki potokowe zostały zaprzęgnięte w fazie syntezy logicznej. Podczas fazy weryfikacji projektu wykorzystano samosprawdzającą się regresję i diagnostykę. Korzystano także z innych zaawansowanych technologii podczas testowania układu takich jak: ATPG (Automated Test Pattern Generation - automatyczne tworzenie testów), testowanie IDDQ (Quiescent Current - test na pobór prądu spoczynkowego) i samonaprawiające się pamięci.

Jeżeli chodzi o oprogramowanie, wykorzystano najnowsze technologie w zakresie kompilatorów i symulacji procesorów.

Czym zatem jest X-Fi? X-Fi reprezentuje wszystko co najnowocześniejsze w architekturach dźwięku zarówno w dziedzinie sprzętu jak i oprogramowania. System został zaprojektowany tak aby optymalizować wykorzystanie dedykowanych elementów sprzętowego przetwarzania i ogólnej mocy obliczeniowej. Głównym celem projektu była elastyczność, dzięki której X-Fi może sprostać nie tylko współczesnym wymaganiom, ale i tym, które stawia przed nim przyszłość.

Oto kilka ważnych danych na temat procesora X-Fi:

• CMOS w technologii 0.13 mikrona
  
• Najnowszy projekt układu pozwala na zastosowanie bardziej skomplikowanych procesorów pasujących do małych podstawek i zużywa mniej energii, a także wydziela mniej ciepła
  

Rdzeń logiczny o napięciu 1.2 V

• Mniejsze zużycie energii, wysoka wydajność
  

Szeroki zakres napięć progowych

• Zapewnia zarządzanie energią/wydajnością
  

Wewnętrzne operacje z częstotliwością 400 MHz

• Zapewniają liczenie kanałowe i funkcje przetwarzania sygnałów
  

Ponad 10 000 mikroprocesorów

• Wiele więcej niż jakikolwiek inny procesor lub DSP
  

24 razy wydajniejszy od procesora Audigy (434 MIPS-milion operacji na sekundę)

X-Fi to całkowicie nowa architektura zbudowana dzięki dziedzictwu wielu opatentowanym podstawom wykorzystanym w poprzednich generacjach procesorów dźwięku firmy Creative. Zapewniają one mnóstwo nowych innowacji. Najważniejsze nowości warte uwagi to:

• Audio "Ring" Architecture (architektura okręgu dźwiękowego - patent w toku): Okręg pozwala na arbitralną obsługę skomplikowanej topologii przez układ. To z kolei umożliwia optymalne wsparcie, bez konieczności godzenia się na jakiekolwiek kompromisy, dla różnego rodzaju aplikacji, począwszy od gier, a skończywszy na rozrywce i tworzeniu dźwięku.
  
• Całkowicie nowy, bardzo wydajny DSP: "Kwartet": Kwartet to centralny DSP, który jest jednym z najwydajniejszych procesorów jakie kiedykolwiek zostały stworzone. Elastyczność i moc obliczeniowa tego DSP pozwala X-Fi na obliczanie najnowszych algorytmów dźwięku w stałoprzecinkowych, zmiennoprzecinkowych, a także w obu tych formatach.
   
• Całkowicie nowa, najwyższa jakość SRC: dzięki tak wysokiej jakości SRC, X-Fi umożliwia "przejrzystą" konwersję częstotliwości próbkowania. Jakość jest tak dobra, że przekracza wydajność większości dostępnych DAC.
   
• Wiele nowych, wydajnych akceleratorów sprzętowych: często wykorzystywane zastosowania typowo dźwiękowe zostały przejęte przez sprzęt, np: mikser sprzętowy, jednostkę generującą Tank engine, silnik filtrowania, DMA. Funkcje te zostały określone jako częste operacje dźwiękowe, z którymi architektura procesorów ogólnego zastosowania nie radzi sobie tak dobrze. Ogólnie rzecz biorąc, układ posiada lepsze warunki szczytowej wartości obciążenia niż procesory ogólnego zastosowania, wynikiem czego jest jego wyższa wydajność.
  
• Sprzęt, oprogramowanie i architektura systemu współpracują ze sobą: dostarczają one największych wrażeń dźwiękowych podczas korzystania z aplikacji dzięki perfekcyjnemu połączeniu krzemu, mikroprogramów, sterowników i projektu oprogramowania.

Zespół projektujący X-Fi posiada wiele lat doświadczenia w zakresie projektowania systemu dźwięku. Członkowie zespołu wyznaczają bardzo ambitne cele projektu określone przez system, technologię oraz trendy w rozwoju aplikacji. Aby osiągnąć założone cele wykorzystano najnowocześniejsze technologie, metodologie i narzędzia oraz dokonano pokaźnych inwestycji w rozwój. W sumie poświęcono ponad 50 lat wysiłku inżynierów. Ostatecznie, zespół dostarczył najbardziej wydajny procesor dźwięku jaki kiedykolwiek widziano:

• posiadający opatentowane i oczekujące na opatentowanie innowacje
• elastyczny i spełniający wymagania przyszłości
• cechujący się optymalnym stosunkiem ceny do wydajności
• dający najwyższą wydajność przy najmniejszym obciążeniu centralnego procesora.

Dr. Michael Lee - Kierownik Ośrodka Technologii Zaawansowanej firmy Creative

Tłumaczenie dla benchmark.pl przez grupę translatornia.pl