通過數(shù)據(jù)中心內(nèi)的視頻加速獲得圖像

如今，在我們所有人都學(xué)著如何在家生活、辦公、學(xué)習(xí)的時候，作為支持我們新常態(tài)的工具，視頻流的重要性日益凸現(xiàn)。具體而言，使用視頻直播平臺將幫助我們與親友保持聯(lián)系，確保我們的子女能夠繼續(xù)完成既定學(xué)業(yè)，必要時我們還可以與自己的醫(yī)生進(jìn)行面對面交流。作為一種新興技術(shù)，視頻直播將繼續(xù)在我們的生活中發(fā)揮重要作用。

這個領(lǐng)域?qū)l(fā)生爆發(fā)式增長。到 2026 年，視頻直播的市場規(guī)模預(yù)計(jì)將接近 940 億美元。此外，與 Netflix 和 HBO 等非視頻直播平臺相比，諸如 Twitch 和 YouTube 游戲這樣的視頻直播平臺將吸引更大批的觀眾。

思科的視覺網(wǎng)絡(luò)指數(shù)表明，到 2022 年，僅視頻一項(xiàng)就將占據(jù)全部網(wǎng)絡(luò)流量的 82%。該流量中的“直播”部分毫無疑義地在增長，并即將成為網(wǎng)絡(luò)流量中比重不斷增大的組成部分。實(shí)時視頻轉(zhuǎn)碼與處理所需的計(jì)算強(qiáng)度極大。賽靈思已幫助其客戶解決了這個問題，同時提高了計(jì)算效率并降低了總體擁有成本 （TCO）。

視頻直播提供商面臨的最大問題是，他們必須為支持其網(wǎng)絡(luò)而支付出口帶寬成本。例如，如果帶寬成本能夠降低 30%，就能給運(yùn)營費(fèi)用帶來實(shí)質(zhì)性影響。如果一個流媒體平臺有大約 10 萬個并發(fā)流媒體，那么額定帶寬成本大約為每年 7，300 萬美元。在這種假設(shè)情況下，如果平臺運(yùn)營方能夠在保持視頻畫質(zhì)不變的前提下將成本降低 30%，那么每年就能夠節(jié)省 2，200 萬美元的成本。

這種情況實(shí)際上并非假設(shè)，而是切實(shí)影響當(dāng)今實(shí)時視頻流平臺的緊急狀況。以中國最大的游戲直播平臺虎牙直播 （Huya.com） 為例。從該公司近期向美國證券交易委員會備案的財(cái)報來看，因?yàn)橛脩魯?shù)量增加以及該公司企圖通過改進(jìn)平臺上的視頻畫質(zhì)來提升用戶體驗(yàn)，虎牙直播 2019 年第四季度（日歷季度）的帶寬成本上漲 40%。不斷增長的帶寬成本和運(yùn)營成本是真實(shí)存在的問題，正在對這些提供商的業(yè)務(wù)模式提出挑戰(zhàn)。

下圖準(zhǔn)確表現(xiàn)了大多數(shù)視頻直播平臺運(yùn)營商正在面臨的境況。正如生活中的大部分事物一樣，帕累托原理也同樣適用于網(wǎng)絡(luò)中的流量模式。在這個示例中，大約 20% 的主播占用了約 80% 的流量，因此對推高帶寬成本應(yīng)承擔(dān)大部分責(zé)任。網(wǎng)絡(luò)的首端顯然是運(yùn)營商關(guān)注的焦點(diǎn)區(qū)域，但網(wǎng)絡(luò)也有另一端，那就是尾端。在這里，運(yùn)營商關(guān)心的是如何以盡可能低的成本實(shí)現(xiàn)所有基礎(chǔ)設(shè)施，從而為面對較小受眾群體的所有其他主播提供支持。這里的目標(biāo)不在于對運(yùn)營費(fèi)用的管理，而是關(guān)注于如何才能更有力地管理資本開支，從而在盡可能增大通道密度的前提下盡量降低單通道成本。如何在網(wǎng)絡(luò)中平衡這兩項(xiàng)要求持續(xù)成為運(yùn)營商面臨的挑戰(zhàn)。

為解決視頻直播平臺運(yùn)營商面臨的挑戰(zhàn)，賽靈思近期推出了一系列專用的視頻轉(zhuǎn)碼一體機(jī)，它基于賽靈思新型的實(shí)時（RT）服務(wù)器參考架構(gòu)（圍繞賽靈思 Alveo 系列數(shù)據(jù)中心加速器卡構(gòu)建）開發(fā)而成。最初的賽靈思 RT 服務(wù)器參考架構(gòu)可支持兩種視頻轉(zhuǎn)碼版本：一個注重在最低比特率下提供最高視頻畫質(zhì)；另一個注重在最低的單通道成本下提供極高的通道密度。基于這兩種參考架構(gòu)的服務(wù)器一體機(jī)由賽靈思經(jīng)銷商和 OEM 廠商實(shí)施，將預(yù)先配置最多 8 塊 Alveo U50 卡或新的 Alveo U30 加速器卡。U30 加速器于近期推出，是一款專門的媒體加速器，最多可支持兩個 4KP30 通道。分辨率可進(jìn)一步細(xì)分，每卡可支持 16 個 1080p30 通道。在集成到 1RU 外形尺寸的 RT 服務(wù)器后，該應(yīng)用能支持 128 通道 1080p 視頻。針對為受眾群體極小的這些尾端主播提供支持這一方面來說，這算是密度極大的實(shí)現(xiàn)方案。Alveo U30 采用賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 全可編程 SoC，同時基于該系列的 EV 版，即內(nèi)置硬化視頻編解碼器單元（VCU）的版本。由于 Alveo U30 主要使用 VCU，大量 FPGA 架構(gòu)可用于支持更多功能。賽靈思正在準(zhǔn)備移植其深度學(xué)習(xí)處理單元 （DPU），以支持視頻分析領(lǐng)域中的更多用例。HEVC 編解碼器的 Alveo U50 實(shí)現(xiàn)方案基于由 NGCodec 開發(fā)的廣受推崇的 NGCodec HEVC 算法。賽靈思在大約一年前收購了 NGCodec，這是該 HEVC 編解碼器在收購后首次實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

賽靈思準(zhǔn)備使用這些一體機(jī)解決視頻直播市場中的多個現(xiàn)有的和新涌現(xiàn)的用例。其中一個主要的應(yīng)用重點(diǎn)是電子競技。類似于 Twitch 這樣的平臺已經(jīng)受到很大的追捧，不僅是針對游戲內(nèi)容而言，更是作為直播平臺而言。在中國和美國以外的其他市場有眾多平臺提供類似的服務(wù)。企業(yè)協(xié)作是另一個重點(diǎn)領(lǐng)域。新冠疫情期間涌現(xiàn)出大量用例，如遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育和社交視頻協(xié)作網(wǎng)站，都需要可靠性高、可擴(kuò)展的視頻直播平臺。

RT 服務(wù)器一體機(jī)基于業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的賽靈思軟件協(xié)議棧。系統(tǒng)采用異構(gòu)形式，最多能夠搭載 8 塊 Alveo U50 或 Alveo U30 加速器。與 Alveo 硬件配套的是 X86 處理器。雖然視頻轉(zhuǎn)碼被卸載到 FPGA 或 VCU，像 AMD“Rome”Epyc 這樣的高性能 CPU 能解決其他復(fù)雜的工作負(fù)載，如音頻處理、廣告插入，或者也可托管用于轉(zhuǎn)碼通道管理的 Wowza Streaming Engine 服務(wù)器等 GUI 應(yīng)用。在硬件層之上，賽靈思為運(yùn)行在 FPGA 上的特定算法功能開發(fā)了加速器二進(jìn)制文件。賽靈思運(yùn)行時 （XRT） 運(yùn)行在這些二進(jìn)制文件的上方，負(fù)責(zé)向軟件層提供硬件內(nèi)核。賽靈思媒體加速 （XMA） API 負(fù)責(zé)提供實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)碼微服務(wù)所需的硬件加速解碼、視頻處理和編碼功能。用戶通過 FFmpeg 命令行就能尋址賽靈思 API。FFmpeg 廣泛應(yīng)用于視頻轉(zhuǎn)碼領(lǐng)域。大多數(shù)用戶熟悉也樂于使用這個 CLI。對于非 CLI 的用途，賽靈思正在與經(jīng)銷商和 Wowza 合作，共同將 Wowza Streaming Engine 媒體服務(wù)器整合到由賽靈思經(jīng)銷商提供的 RT 服務(wù)器一體機(jī)中。Wowza 集成的工作預(yù)計(jì)將在 2020 年夏季完成。

相對于基于軟件的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案而言，RT 服務(wù)器參考架構(gòu)的比特率優(yōu)化版擁有顯著的競爭優(yōu)勢。在下圖中，搭載 8 塊 Alveo U50 的單個 HP ProLiant DL385 Gen 10 Plus 服務(wù)器（可通過訪問 hpe.com 配置），等同于 5 個搭載 10 塊英特爾 8275CL 3.0GHz CPU 的 HPE ProLiant DL380 Gen 10 服務(wù)器。與替代實(shí)現(xiàn)方案相比，賽靈思參考架構(gòu)每節(jié)點(diǎn)吞吐量是它的 5 倍，硬件成本降低 6 倍，功耗降低 3 倍。詳細(xì)了解如何使用 HPE 提供的 COTS 設(shè)備構(gòu)建功能強(qiáng)大的轉(zhuǎn)碼一體機(jī)，請點(diǎn)擊此處觀看視頻。

RT 服務(wù)器的高密度版搭載 8 塊 Alveo U30，集成在 1RU 機(jī)柜中，目前賽靈思經(jīng)銷商已開始供貨。要在相當(dāng)于 NVENC“中等”質(zhì)量的條件下處理同等 1080p480 HEVC，需要搭載 32 塊 Nvidia Tesla T4 加速器的四個 HPE ProLiant DL380 Gen 10 服務(wù)器。與等效 Nvidia 實(shí)現(xiàn)方案相比，賽靈思一體機(jī)吞吐量是其 4 倍，硬件成本降低 6 倍，功耗僅相當(dāng)于它的 20%。

賽靈思 RT 服務(wù)器視頻一體機(jī)目前已提供評估，可通過 hpe.com 購買比特率優(yōu)化型 Alveo U50 版本，或通過授權(quán)賽靈思增值經(jīng)銷商購買。