[논문]Microscopic Dynamic Voltage Scaling(DVS) 기반 저전력 MPEG-2 AAC 알고리즘 최적화 구현에 관한 연구

이은서; 이재식; 장태규

문제 정의

본 논문에서는 Microscopic DVS 기법의 전력 절감 효율을 극대화하기 위해 멀티미디어 데이터의 처리에 있어 많은 연산량을 필요로 하는 Huffman decoder (MPEG-2 AAC 오 디오 decodere 경우 40% 이상[6])에 대한 최적 구현 구조 도출하고, 이를 실제 MPEG-2 AAC 오디오 디코더 상에 구 현하여 전력 절감 효율을 분석하였다.
하지만 이는 멀티미디어 알고리즘이 각기 다룐 연산량 득 성을 갖는 프레임 단위로 연산을 수행하기 때문에 macroscopic 제어 기법만으로는 최대의 전력 절감 효과를 얻기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 멀티미이어 알고리즘의 프레임별 연산 득 성을 고려하여 전력 절감 효과를 극대화 시킬 수 있는 microscopic DVS 제어기법을 그림 1(c) 와 같이 제 시하였다.
본 논문에서는 허프만 트리의 재구성을 통하여 데이터 처리량의 분산은 증가시키지만, 김색 효율을 향상 시켜 데이터 평균 처리량을 획기적으로 낮출 수 있는 허프만 디코딩 최적화 기법 을 제시하였다. Microscopic DVS 기법의 전력 절감 효율은 멀티미디어 데이터의 각 프레임별 처리 요구량의 분산이 클 때 더욱 좋게 나타난다 [7],

제안 방법

본 논문에서는 순차 검색 방식, 최적 이진 트리 검색 방식 [1], 본 논문에서 제안한 방식의 허프만 디코더를 MPEG-2 AAC Audio 디코더에 구현하고, 성능 분석을 실시하였다. 성능 시험 결과 제안된 방식의 허프만 디코더가 가장 좋은 성능을 나타내었으며, 다음 장에 이를 자세히 기술하였다.
첫 번째로, MPEG-2 오디오, 비디오 디코더에 대한 공급 전압 및 주파수 변화의 레벨에 따른 Microscopic DVS 기법의 전력 절감 효율을 분석하기 위해, Xscale processor를 타 겟으로 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 그림 3에서 볼 수 있듯이 AAC 오디오, CIF, QCIF 비디오 스트림에 대한 Microscopic DVS 기법에 의한 전력 절감 효율은 7단 계의 voltage-frequency scaling의 경우 각각 30%, 20% 그리고 15% 이상으로 나타나는 것을 볼 수 있다.
다음으로는, MPEG 2 AAC 오디오 디코더를 대상으로 본 논문에서 제시한 허프만 디코딩 알고리즘과 Microscopic DVS 기법을 동시에 적용하였을 때의 전력 절감 효율을 분석하였다. 본 논문에서 제안한 방식의 허프만 디코더는 그림 4 에서 볼 수 있듯이 기존의 최적화된 허프만 디코데,1] 보다 평균 연산량 측면에서는 좋은 성능을 보이지만, 동시에 분산 이 커지는 현상이 나타나는 것을 볼 수 있다.
본 논문에서는 순차 검색 방식, 최적 이진 트리 검색 방식 [1], 본 논문에서 제안한 방식의 허프만 디코더를 MPEG-2 AAC Audio 디코더에 구현하고, 성능 분석을 실시하였다. 성능 시험 결과 제안된 방식의 허프만 디코더가 가장 좋은 성능을 나타내었으며, 다음 장에 이를 자세히 기술하였다.

성능/효과

본 논문에서는 수십 밀리초 내외의 짧은 멀티미디어 실시간 처리 단위, 즉 프레임 단위로 DVS 전력 제어를 수행하는 Microscopic DVS 기법을 제시하였으며, 이는 멀티미디어 프레임 데이터의 처리 요구량 분포 특성을 충분하게 활용하지 못했던 이전 연구와 비교해볼 때 전력 절감 효윰면에서 큰 차이가 있다. 하겠다.
디지덜 멀티미디어 데이터는 일정 시간 구간으로 나뉘어 진 프레임 단위로 처리된다, 저전력 기법을 사용하지 않는 기존 멀티미디어 신호처리에서는 그림 1(a)에 보인 것과 같이 고정된 전압, 주파수를 사용하여 상대적으로 높은 동작 주파수와 공급 전원을 필요로 하기 때문에 많은 전력 소모가 일어나게 된다. 이에 그림 1(b) 와 같이 파일 단위 혹은 레벨 프로파일 등의 알고리즙 단위로 전압 레벨을 조절하는 macroscopic 제어 기법을 사용하면 저전력 기법을 사용하지 않는 기존 방식에 비해 전력 레벨을 낮추어 에너지 소비를 절감할 수 있다.
따라서, 허프만 디코더 최적화를 통해 평균 연산량을 낮추 꼬, 동시에 증가된 분산은 Microscopic DVS 적용을 함으로 서 전력 절감 효율을 극대화 할 수 있게 된다.
첫 번째로, MPEG-2 오디오, 비디오 디코더에 대한 공급 전압 및 주파수 변화의 레벨에 따른 Microscopic DVS 기법의 전력 절감 효율을 분석하기 위해, Xscale processor를 타 겟으로 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 그림 3에서 볼 수 있듯이 AAC 오디오, CIF, QCIF 비디오 스트림에 대한 Microscopic DVS 기법에 의한 전력 절감 효율은 7단 계의 voltage-frequency scaling의 경우 각각 30%, 20% 그리고 15% 이상으로 나타나는 것을 볼 수 있다.
다음으로는, MPEG 2 AAC 오디오 디코더를 대상으로 본 논문에서 제시한 허프만 디코딩 알고리즘과 Microscopic DVS 기법을 동시에 적용하였을 때의 전력 절감 효율을 분석하였다. 본 논문에서 제안한 방식의 허프만 디코더는 그림 4 에서 볼 수 있듯이 기존의 최적화된 허프만 디코데,1] 보다 평균 연산량 측면에서는 좋은 성능을 보이지만, 동시에 분산 이 커지는 현상이 나타나는 것을 볼 수 있다.
표 3에서 볼 수 있듯이 MPEG-2 AAC 오디오 디코더에 제시한 방식의 허프만 디코더 최적화 방식을 적용하였을 때, 최근 헤시미안 방식보다도 성능이 좋다고 제시된 최적 이진 트리 검색 방식의 허프만 디코딩 알고리즘보다도 30% 이상 성능이 더 좋은 것을 확인하였으며, Microscopic DVS 기법의 적용 시 전력 소모량 또한 기존의 최적화 된 허프만 디코딩 알고리즘보다도 17% 감소했다는 언구 결과를 도출하였다.
이는 종전에 단말의 저전력 동작을 위해 프로세서의 연산 부담을 최소화시키는 알고리즘 최적화 기술과 ASIC 등 전용 하드웨어 설계 기술 등의 단편적인 기술과는 달리 저전력 프로세서의 최적 구현 구조를 제시하는 획기적인 기술로써 그 우수성이 매우 크다 하겠다. 득히 Microscopic DVS 기반의 알고리즘 최적화 연구를 통해 구현 완료한 허프만 디코딩 알고리즘은 현재 성능이 가장 우수하다고 제안된 최적 이진 검색 방식보다 검색 효율 면에서 30% 이상, Microscopic DVS 기법 적용시 전력소모 면에서 17% 이상 좋은 성능을 나타냄을 확인하였다. 이는 추후 멀티미디어 알고리즘 최적화 과정에 큰 파급효과를 불러 일으킬 것으로 예상된다.

후속연구

이는 추후 멀티미디어 알고리즘 최적화 과정에 큰 파급효과를 불러 일으킬 것으로 예상된다. 현재 DVS 기법 적용을 위한 하드웨어 구현이 진행 중에 있으며, 최적화된 알고리즘을 적용하여 실제 멀티미디어 단말 환경에서의 전력 절감 효율을 분석하고, 제안된 전력 절감 기법을 검증하는 연구가 필요하다 하겠다.

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