Esta dissertação de mestrado introduz um conjunto de algoritmos baseados em grafos para a obtenção de circuitos VLSI com um número reduzido de transistores utilziando células simples. Esses algoritmos têm um foco principal na minimização do número de nodos em representações AIG e mapear essa estrutura otimizada utilizando células simples (NAND2 e NOR2) com um número mínimo de inversores. Devido à minimização de nodos, o AIG tem um alto compartilhamento lógico, o que pode derivar circuitos intermediários contendo células com fanouts infactíveis para os nodos tecnológicos atuais. De forma a resolver essas ocorrências, o circuito intermediário é submetido a um algoritmo para limitação de fanout. Os algoritmos propostos foram aplicados num conjunto de circuitos de benchmark e os resultados obtidos mostram a utilidade do método. Os circuitos resultantes tiveram, em média, 32% menos transistores do que as referências anteriores em números de transistores utilizando células simples. Adicionalmente, quando comparando esses resultados com trabalhos que utilizam células complexas, nossos números demonstraram que abordagens anteriores estão algumas vezes longe do número mínimo de transistores que pode ser obtido com o uso eficiente de uma biblioteca reduzida de células, composta por poucas células simples. Os circuitos baseados em células simples obtidos com a aplicação dos algoritmos proposto neste trabalho apresentam um menor número de transistores em muitos casos quando comparados aos resultados previamente publicados utilizando células complexas (CMOS estático e PTL). / This master’s thesis introduces a set of graph-based algorithms for obtaining reduced transistor count VLSI circuits using simple cells. These algorithms are mainly focused on minimizing node count in AIG representations and mapping this optimized AIG using simple cells (NAND2 and NOR2) with a minimal number of inverters. Due to the AIG node count minimization, the logic sharing is probably highly present in the optimized AIG, what may derive intermediate circuits containing cells with unfeasible fanout in current technology nodes. In order to fix these occurrences, this intermediate circuit is subjected to an algorithm for fanout limitation. The proposed algorithms were applied over a set of benchmark circuits and the obtained results have shown the usefulness of the method. The circuits generated by the methods proposed herein have, in average, 32% less transistor than the previous reference on transistor count using simple cells. Additionally, when comparing the presented results in terms of transistor count against works advocating for complex cells, our results have demonstrated that previous approaches are sometimes far from the minimum transistor count that can be obtained with the efficient use of a reduced cell library composed by only a few number of simple cells. The simple-cells-based circuits obtained after applying the algorithms proposed herein have presented a lower transistor count in many cases when compared to previously published results using complex (static CMOS and PTL) cells.

O Roteamento Global é responsável pelo planejamento da distribuição dos meios de interconexão dentro da área do circuito. Dentro da fase do projeto de circuitos conhecida como Síntese Física, essa fase situa-se após a etapa de posicionamento, que define uma posição exata para cada célula do circuito, e antes da etapa de roteamento detalhado que irá definir uma posição para cada meio de interconexão. Os roteadores globais utilizam uma versão abstrata e simplificada do circuito, que agrega uma região e toda a capacidade de fios que esta região comporta, trabalhando com o planejamento dessas capacidades em relação a demanda de interconexão entre as células do circuito. Este trabalho, apresenta um conjunto de técnicas para delimitação e tratamento de áreas que possuem alta demanda por meios de interconexão em circuitos VLSI. As técnicas são aplicadas em duas fases do fluxo de rotamento global: a primeira é executada na fase de pré-roteamento, onde são identificadas as regiões que possuem alta demanda por interconexão, isto é, são destino ou origem de um número elevado fios em relação a sua capacidade de alocar meios de interconexão; a segunda etapa ocorre dentro da fase de roteamento iterativo, identificando e protegendo aquelas que regiões que possuem os níveis mais elevados de congestionamento. Para avaliar os impactos da aplicação das técnicas propostas, foi feita a implementação em um fluxo de roteamento global existente. A avaliação foi partir da extração de quatro métricas de roteamento global comumente utilizadas na literatura de síntese física, para análise de roteamento global: comprimento dos fios, valor total de congestionamento, máximo congestionamento de aresta e tempo de execução. A partir da execução de experimentos utilizando as técnicas, foi possível verificar ganhos de até 11% em redução do congestionamento total no circuito, em benchmarks para os quais ainda não se tem soluções válidas na literatura. Os tempos de execução obtiveram um redução de até 35%, quando comparados com a implementação usada como referência para aplicação das técnicas, o roteador GR-WL. Um dos efeitos colaterais da aplicação de técnicas de calibração de custos é o aumento do comprimento médio dos fios. Os resultados dos experimentos mostram que as técnicas propostas conseguem reduzir este efeito colateral para, no máximo, 1.39% de acordo com os benchmarks executados. / Global routing phase is responsible for the interconnect planning and distribution across the circuit area. During the integrated circuit project flow, the global routing is contained in the Physical Synthesis, after the placement, that is when the position of all circuit cells are defined, and before the detailed routing, when the position of all interonnection wires is realized. A simplified and abstrate version of the circuit routing area is used by the global router, that will agregate in a single vertex, an specific region of the circuit, that represents a bunch of interconnection with their total capacity. This work presents a set of techniques to delimit and threat areas that have high interconnection demand in VLSI circuits. These techniques are applied in two steps of the global routing flow: the first is executed during the initial routing, where the high interconnection demanding regions are identified. the second step is executed during the iterative routing, where the top offender regions are identified and heva their costs pre-allocated. In order to evaluate the impact of the proposed techniques, they are implemented in an existing global routing flow, and four metrics are collected: total wirelenght, execution time, total overflow and maximum overflow. Tha last two metrics will be different from zero just for the circuits that not have a valid solution. After the execution of the experiments it was possible to verify a reduction up to 11% in wirelenght, in some benchmarks that the literature do no have a valid solution. Furthermore, it was possible to verify a reduction up to 35% in the execution time, when compared to the reference implementation. Once we are including constraints in form of cost pre-allocation, it is possible to verify an wirelength increase in some cases. In this work, it was possible to observe a small presence of these side-effects, up to 1.39%, according to the executed benchmarks.

Esta dissertação de mestrado introduz um conjunto de algoritmos baseados em grafos para a obtenção de circuitos VLSI com um número reduzido de transistores utilziando células simples. Esses algoritmos têm um foco principal na minimização do número de nodos em representações AIG e mapear essa estrutura otimizada utilizando células simples (NAND2 e NOR2) com um número mínimo de inversores. Devido à minimização de nodos, o AIG tem um alto compartilhamento lógico, o que pode derivar circuitos intermediários contendo células com fanouts infactíveis para os nodos tecnológicos atuais. De forma a resolver essas ocorrências, o circuito intermediário é submetido a um algoritmo para limitação de fanout. Os algoritmos propostos foram aplicados num conjunto de circuitos de benchmark e os resultados obtidos mostram a utilidade do método. Os circuitos resultantes tiveram, em média, 32% menos transistores do que as referências anteriores em números de transistores utilizando células simples. Adicionalmente, quando comparando esses resultados com trabalhos que utilizam células complexas, nossos números demonstraram que abordagens anteriores estão algumas vezes longe do número mínimo de transistores que pode ser obtido com o uso eficiente de uma biblioteca reduzida de células, composta por poucas células simples. Os circuitos baseados em células simples obtidos com a aplicação dos algoritmos proposto neste trabalho apresentam um menor número de transistores em muitos casos quando comparados aos resultados previamente publicados utilizando células complexas (CMOS estático e PTL). / This master’s thesis introduces a set of graph-based algorithms for obtaining reduced transistor count VLSI circuits using simple cells. These algorithms are mainly focused on minimizing node count in AIG representations and mapping this optimized AIG using simple cells (NAND2 and NOR2) with a minimal number of inverters. Due to the AIG node count minimization, the logic sharing is probably highly present in the optimized AIG, what may derive intermediate circuits containing cells with unfeasible fanout in current technology nodes. In order to fix these occurrences, this intermediate circuit is subjected to an algorithm for fanout limitation. The proposed algorithms were applied over a set of benchmark circuits and the obtained results have shown the usefulness of the method. The circuits generated by the methods proposed herein have, in average, 32% less transistor than the previous reference on transistor count using simple cells. Additionally, when comparing the presented results in terms of transistor count against works advocating for complex cells, our results have demonstrated that previous approaches are sometimes far from the minimum transistor count that can be obtained with the efficient use of a reduced cell library composed by only a few number of simple cells. The simple-cells-based circuits obtained after applying the algorithms proposed herein have presented a lower transistor count in many cases when compared to previously published results using complex (static CMOS and PTL) cells.

Esta dissertação de mestrado introduz um conjunto de algoritmos baseados em grafos para a obtenção de circuitos VLSI com um número reduzido de transistores utilziando células simples. Esses algoritmos têm um foco principal na minimização do número de nodos em representações AIG e mapear essa estrutura otimizada utilizando células simples (NAND2 e NOR2) com um número mínimo de inversores. Devido à minimização de nodos, o AIG tem um alto compartilhamento lógico, o que pode derivar circuitos intermediários contendo células com fanouts infactíveis para os nodos tecnológicos atuais. De forma a resolver essas ocorrências, o circuito intermediário é submetido a um algoritmo para limitação de fanout. Os algoritmos propostos foram aplicados num conjunto de circuitos de benchmark e os resultados obtidos mostram a utilidade do método. Os circuitos resultantes tiveram, em média, 32% menos transistores do que as referências anteriores em números de transistores utilizando células simples. Adicionalmente, quando comparando esses resultados com trabalhos que utilizam células complexas, nossos números demonstraram que abordagens anteriores estão algumas vezes longe do número mínimo de transistores que pode ser obtido com o uso eficiente de uma biblioteca reduzida de células, composta por poucas células simples. Os circuitos baseados em células simples obtidos com a aplicação dos algoritmos proposto neste trabalho apresentam um menor número de transistores em muitos casos quando comparados aos resultados previamente publicados utilizando células complexas (CMOS estático e PTL). / This master’s thesis introduces a set of graph-based algorithms for obtaining reduced transistor count VLSI circuits using simple cells. These algorithms are mainly focused on minimizing node count in AIG representations and mapping this optimized AIG using simple cells (NAND2 and NOR2) with a minimal number of inverters. Due to the AIG node count minimization, the logic sharing is probably highly present in the optimized AIG, what may derive intermediate circuits containing cells with unfeasible fanout in current technology nodes. In order to fix these occurrences, this intermediate circuit is subjected to an algorithm for fanout limitation. The proposed algorithms were applied over a set of benchmark circuits and the obtained results have shown the usefulness of the method. The circuits generated by the methods proposed herein have, in average, 32% less transistor than the previous reference on transistor count using simple cells. Additionally, when comparing the presented results in terms of transistor count against works advocating for complex cells, our results have demonstrated that previous approaches are sometimes far from the minimum transistor count that can be obtained with the efficient use of a reduced cell library composed by only a few number of simple cells. The simple-cells-based circuits obtained after applying the algorithms proposed herein have presented a lower transistor count in many cases when compared to previously published results using complex (static CMOS and PTL) cells.

O Roteamento Global é responsável pelo planejamento da distribuição dos meios de interconexão dentro da área do circuito. Dentro da fase do projeto de circuitos conhecida como Síntese Física, essa fase situa-se após a etapa de posicionamento, que define uma posição exata para cada célula do circuito, e antes da etapa de roteamento detalhado que irá definir uma posição para cada meio de interconexão. Os roteadores globais utilizam uma versão abstrata e simplificada do circuito, que agrega uma região e toda a capacidade de fios que esta região comporta, trabalhando com o planejamento dessas capacidades em relação a demanda de interconexão entre as células do circuito. Este trabalho, apresenta um conjunto de técnicas para delimitação e tratamento de áreas que possuem alta demanda por meios de interconexão em circuitos VLSI. As técnicas são aplicadas em duas fases do fluxo de rotamento global: a primeira é executada na fase de pré-roteamento, onde são identificadas as regiões que possuem alta demanda por interconexão, isto é, são destino ou origem de um número elevado fios em relação a sua capacidade de alocar meios de interconexão; a segunda etapa ocorre dentro da fase de roteamento iterativo, identificando e protegendo aquelas que regiões que possuem os níveis mais elevados de congestionamento. Para avaliar os impactos da aplicação das técnicas propostas, foi feita a implementação em um fluxo de roteamento global existente. A avaliação foi partir da extração de quatro métricas de roteamento global comumente utilizadas na literatura de síntese física, para análise de roteamento global: comprimento dos fios, valor total de congestionamento, máximo congestionamento de aresta e tempo de execução. A partir da execução de experimentos utilizando as técnicas, foi possível verificar ganhos de até 11% em redução do congestionamento total no circuito, em benchmarks para os quais ainda não se tem soluções válidas na literatura. Os tempos de execução obtiveram um redução de até 35%, quando comparados com a implementação usada como referência para aplicação das técnicas, o roteador GR-WL. Um dos efeitos colaterais da aplicação de técnicas de calibração de custos é o aumento do comprimento médio dos fios. Os resultados dos experimentos mostram que as técnicas propostas conseguem reduzir este efeito colateral para, no máximo, 1.39% de acordo com os benchmarks executados. / Global routing phase is responsible for the interconnect planning and distribution across the circuit area. During the integrated circuit project flow, the global routing is contained in the Physical Synthesis, after the placement, that is when the position of all circuit cells are defined, and before the detailed routing, when the position of all interonnection wires is realized. A simplified and abstrate version of the circuit routing area is used by the global router, that will agregate in a single vertex, an specific region of the circuit, that represents a bunch of interconnection with their total capacity. This work presents a set of techniques to delimit and threat areas that have high interconnection demand in VLSI circuits. These techniques are applied in two steps of the global routing flow: the first is executed during the initial routing, where the high interconnection demanding regions are identified. the second step is executed during the iterative routing, where the top offender regions are identified and heva their costs pre-allocated. In order to evaluate the impact of the proposed techniques, they are implemented in an existing global routing flow, and four metrics are collected: total wirelenght, execution time, total overflow and maximum overflow. Tha last two metrics will be different from zero just for the circuits that not have a valid solution. After the execution of the experiments it was possible to verify a reduction up to 11% in wirelenght, in some benchmarks that the literature do no have a valid solution. Furthermore, it was possible to verify a reduction up to 35% in the execution time, when compared to the reference implementation. Once we are including constraints in form of cost pre-allocation, it is possible to verify an wirelength increase in some cases. In this work, it was possible to observe a small presence of these side-effects, up to 1.39%, according to the executed benchmarks.

O Roteamento Global é responsável pelo planejamento da distribuição dos meios de interconexão dentro da área do circuito. Dentro da fase do projeto de circuitos conhecida como Síntese Física, essa fase situa-se após a etapa de posicionamento, que define uma posição exata para cada célula do circuito, e antes da etapa de roteamento detalhado que irá definir uma posição para cada meio de interconexão. Os roteadores globais utilizam uma versão abstrata e simplificada do circuito, que agrega uma região e toda a capacidade de fios que esta região comporta, trabalhando com o planejamento dessas capacidades em relação a demanda de interconexão entre as células do circuito. Este trabalho, apresenta um conjunto de técnicas para delimitação e tratamento de áreas que possuem alta demanda por meios de interconexão em circuitos VLSI. As técnicas são aplicadas em duas fases do fluxo de rotamento global: a primeira é executada na fase de pré-roteamento, onde são identificadas as regiões que possuem alta demanda por interconexão, isto é, são destino ou origem de um número elevado fios em relação a sua capacidade de alocar meios de interconexão; a segunda etapa ocorre dentro da fase de roteamento iterativo, identificando e protegendo aquelas que regiões que possuem os níveis mais elevados de congestionamento. Para avaliar os impactos da aplicação das técnicas propostas, foi feita a implementação em um fluxo de roteamento global existente. A avaliação foi partir da extração de quatro métricas de roteamento global comumente utilizadas na literatura de síntese física, para análise de roteamento global: comprimento dos fios, valor total de congestionamento, máximo congestionamento de aresta e tempo de execução. A partir da execução de experimentos utilizando as técnicas, foi possível verificar ganhos de até 11% em redução do congestionamento total no circuito, em benchmarks para os quais ainda não se tem soluções válidas na literatura. Os tempos de execução obtiveram um redução de até 35%, quando comparados com a implementação usada como referência para aplicação das técnicas, o roteador GR-WL. Um dos efeitos colaterais da aplicação de técnicas de calibração de custos é o aumento do comprimento médio dos fios. Os resultados dos experimentos mostram que as técnicas propostas conseguem reduzir este efeito colateral para, no máximo, 1.39% de acordo com os benchmarks executados. / Global routing phase is responsible for the interconnect planning and distribution across the circuit area. During the integrated circuit project flow, the global routing is contained in the Physical Synthesis, after the placement, that is when the position of all circuit cells are defined, and before the detailed routing, when the position of all interonnection wires is realized. A simplified and abstrate version of the circuit routing area is used by the global router, that will agregate in a single vertex, an specific region of the circuit, that represents a bunch of interconnection with their total capacity. This work presents a set of techniques to delimit and threat areas that have high interconnection demand in VLSI circuits. These techniques are applied in two steps of the global routing flow: the first is executed during the initial routing, where the high interconnection demanding regions are identified. the second step is executed during the iterative routing, where the top offender regions are identified and heva their costs pre-allocated. In order to evaluate the impact of the proposed techniques, they are implemented in an existing global routing flow, and four metrics are collected: total wirelenght, execution time, total overflow and maximum overflow. Tha last two metrics will be different from zero just for the circuits that not have a valid solution. After the execution of the experiments it was possible to verify a reduction up to 11% in wirelenght, in some benchmarks that the literature do no have a valid solution. Furthermore, it was possible to verify a reduction up to 35% in the execution time, when compared to the reference implementation. Once we are including constraints in form of cost pre-allocation, it is possible to verify an wirelength increase in some cases. In this work, it was possible to observe a small presence of these side-effects, up to 1.39%, according to the executed benchmarks.

Este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro do padrão emergente HEVC de codificação de vídeo. O padrão HEVC está sendo desenvolvido tendo como principal objetivo o aumento em 50% na eficiência de compressão, quando comparado com o padrão H.264/AVC, atual padrão estado da arte na codificação de vídeos. Para atingir este objetivo, várias novas ferramentas de codificação foram desenvolvidas para serem introduzidas no novo padrão HEVC. Embora essas novas ferramentas tenham obtido êxito em aumentar a eficiência de compressão do novo padrão HEVC, elas também colaboraram para o aumento da complexidade computacional no processo de codificação. Analisando somente os avanços na predição intra-quadro, em comparação com o padrão H.264/AVC, é possível perceber que vários novos modos direcionais de codificação foram inseridos no processo de predição. Além disso, existem mais tamanhos de blocos que podem ser considerados pela predição intra-quadro. Nesse contexto, este trabalho propõe o uso de duas abordagens para melhorar o desempenho da predição intra-quadro em codificadores HEVC. Primeiramente, foram desenvolvidos algoritmos rápidos de decisão de modo, baseados em heurísticas, para a predição intra-quadro. Os resultados mostraram que é possível reduzir a complexidade computacional do processo de predição intra-quadro com pequenas perdas na eficiência de compressão (taxa de bits e qualidade visual). No pior caso, a perda foi de 6.9% na taxa de bits e de 0.12dB na qualidade, para uma redução de 35% no tempo de processamento. Em seguida, utilizando um dos algoritmos desenvolvidos, uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro foi desenvolvida. Além da redução de complexidade proporcionada pelo uso do algoritmo desenvolvido, técnicas de desenvolvido de hardware, tais como aumento no nível de paralelismo e uso de pipeline, também foram utilizadas para melhorar o desempenho da arquitetura desenvolvida. Os resultados de síntese da arquitetura para a tecnologia IBM 0,65um mostram que ela é capaz de operar a 500MHz, atingindo uma taxa de processamento suficiente para realizar a predição intra-quadro de mais de 30 quadros por segundo para resoluções como Full HD (1920x1080pixels). / This work presents an intra-frame prediction hardware architecture targeting the emerging HEVC video coding standard. The HEVC standard is being developed with the main goal of increase the compression efficiency in 50% when compared to the latest H.264/AVC video coding standard. To achieve such a goal, several new video coding strategies were developed to be used in the HEVC. Although these strategies have increased the compression efficiency of the emerging HEVC standard, it also increased the computational complexity of the encoding process. Looking only to the intra prediction process, several new directional modes are used to perform the prediction. Besides, there are more block sizes that can be supported by the intra prediction process. This work proposes to use two different approaches to improve the HEVC intra prediction performance. First we developed fast intra mode decision algorithms, showing that it is possible to decrease the intra prediction computational complexity with negligible loss in the compression performance (bit-rate and video quality). In the worst case, the bit-rate loss was 6.99% and the PSNR loss was 0.12dB in average allowing reducing the encoding time up to 35%. Then, using the developed fast algorithms as base, this work proposes an intra prediction hardware architecture. The designed architecture was specifically based on one of the developed fast intra mode decision algorithms. Besides, hardware techniques such as increase the parallelism level and pipeline were also used to improve the intra prediction performance. The synthesis results for the IBM 0.65nm have shown that the architecture is able to achieve 500MHz as maximum operation frequency. This way, the architecture throughput is enough to perform the intra prediction process for more than 30 frames per second considering high resolution digital videos, such as Full HD (1920x1080).

Este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro do padrão emergente HEVC de codificação de vídeo. O padrão HEVC está sendo desenvolvido tendo como principal objetivo o aumento em 50% na eficiência de compressão, quando comparado com o padrão H.264/AVC, atual padrão estado da arte na codificação de vídeos. Para atingir este objetivo, várias novas ferramentas de codificação foram desenvolvidas para serem introduzidas no novo padrão HEVC. Embora essas novas ferramentas tenham obtido êxito em aumentar a eficiência de compressão do novo padrão HEVC, elas também colaboraram para o aumento da complexidade computacional no processo de codificação. Analisando somente os avanços na predição intra-quadro, em comparação com o padrão H.264/AVC, é possível perceber que vários novos modos direcionais de codificação foram inseridos no processo de predição. Além disso, existem mais tamanhos de blocos que podem ser considerados pela predição intra-quadro. Nesse contexto, este trabalho propõe o uso de duas abordagens para melhorar o desempenho da predição intra-quadro em codificadores HEVC. Primeiramente, foram desenvolvidos algoritmos rápidos de decisão de modo, baseados em heurísticas, para a predição intra-quadro. Os resultados mostraram que é possível reduzir a complexidade computacional do processo de predição intra-quadro com pequenas perdas na eficiência de compressão (taxa de bits e qualidade visual). No pior caso, a perda foi de 6.9% na taxa de bits e de 0.12dB na qualidade, para uma redução de 35% no tempo de processamento. Em seguida, utilizando um dos algoritmos desenvolvidos, uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro foi desenvolvida. Além da redução de complexidade proporcionada pelo uso do algoritmo desenvolvido, técnicas de desenvolvido de hardware, tais como aumento no nível de paralelismo e uso de pipeline, também foram utilizadas para melhorar o desempenho da arquitetura desenvolvida. Os resultados de síntese da arquitetura para a tecnologia IBM 0,65um mostram que ela é capaz de operar a 500MHz, atingindo uma taxa de processamento suficiente para realizar a predição intra-quadro de mais de 30 quadros por segundo para resoluções como Full HD (1920x1080pixels). / This work presents an intra-frame prediction hardware architecture targeting the emerging HEVC video coding standard. The HEVC standard is being developed with the main goal of increase the compression efficiency in 50% when compared to the latest H.264/AVC video coding standard. To achieve such a goal, several new video coding strategies were developed to be used in the HEVC. Although these strategies have increased the compression efficiency of the emerging HEVC standard, it also increased the computational complexity of the encoding process. Looking only to the intra prediction process, several new directional modes are used to perform the prediction. Besides, there are more block sizes that can be supported by the intra prediction process. This work proposes to use two different approaches to improve the HEVC intra prediction performance. First we developed fast intra mode decision algorithms, showing that it is possible to decrease the intra prediction computational complexity with negligible loss in the compression performance (bit-rate and video quality). In the worst case, the bit-rate loss was 6.99% and the PSNR loss was 0.12dB in average allowing reducing the encoding time up to 35%. Then, using the developed fast algorithms as base, this work proposes an intra prediction hardware architecture. The designed architecture was specifically based on one of the developed fast intra mode decision algorithms. Besides, hardware techniques such as increase the parallelism level and pipeline were also used to improve the intra prediction performance. The synthesis results for the IBM 0.65nm have shown that the architecture is able to achieve 500MHz as maximum operation frequency. This way, the architecture throughput is enough to perform the intra prediction process for more than 30 frames per second considering high resolution digital videos, such as Full HD (1920x1080).

Este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro do padrão emergente HEVC de codificação de vídeo. O padrão HEVC está sendo desenvolvido tendo como principal objetivo o aumento em 50% na eficiência de compressão, quando comparado com o padrão H.264/AVC, atual padrão estado da arte na codificação de vídeos. Para atingir este objetivo, várias novas ferramentas de codificação foram desenvolvidas para serem introduzidas no novo padrão HEVC. Embora essas novas ferramentas tenham obtido êxito em aumentar a eficiência de compressão do novo padrão HEVC, elas também colaboraram para o aumento da complexidade computacional no processo de codificação. Analisando somente os avanços na predição intra-quadro, em comparação com o padrão H.264/AVC, é possível perceber que vários novos modos direcionais de codificação foram inseridos no processo de predição. Além disso, existem mais tamanhos de blocos que podem ser considerados pela predição intra-quadro. Nesse contexto, este trabalho propõe o uso de duas abordagens para melhorar o desempenho da predição intra-quadro em codificadores HEVC. Primeiramente, foram desenvolvidos algoritmos rápidos de decisão de modo, baseados em heurísticas, para a predição intra-quadro. Os resultados mostraram que é possível reduzir a complexidade computacional do processo de predição intra-quadro com pequenas perdas na eficiência de compressão (taxa de bits e qualidade visual). No pior caso, a perda foi de 6.9% na taxa de bits e de 0.12dB na qualidade, para uma redução de 35% no tempo de processamento. Em seguida, utilizando um dos algoritmos desenvolvidos, uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro foi desenvolvida. Além da redução de complexidade proporcionada pelo uso do algoritmo desenvolvido, técnicas de desenvolvido de hardware, tais como aumento no nível de paralelismo e uso de pipeline, também foram utilizadas para melhorar o desempenho da arquitetura desenvolvida. Os resultados de síntese da arquitetura para a tecnologia IBM 0,65um mostram que ela é capaz de operar a 500MHz, atingindo uma taxa de processamento suficiente para realizar a predição intra-quadro de mais de 30 quadros por segundo para resoluções como Full HD (1920x1080pixels). / This work presents an intra-frame prediction hardware architecture targeting the emerging HEVC video coding standard. The HEVC standard is being developed with the main goal of increase the compression efficiency in 50% when compared to the latest H.264/AVC video coding standard. To achieve such a goal, several new video coding strategies were developed to be used in the HEVC. Although these strategies have increased the compression efficiency of the emerging HEVC standard, it also increased the computational complexity of the encoding process. Looking only to the intra prediction process, several new directional modes are used to perform the prediction. Besides, there are more block sizes that can be supported by the intra prediction process. This work proposes to use two different approaches to improve the HEVC intra prediction performance. First we developed fast intra mode decision algorithms, showing that it is possible to decrease the intra prediction computational complexity with negligible loss in the compression performance (bit-rate and video quality). In the worst case, the bit-rate loss was 6.99% and the PSNR loss was 0.12dB in average allowing reducing the encoding time up to 35%. Then, using the developed fast algorithms as base, this work proposes an intra prediction hardware architecture. The designed architecture was specifically based on one of the developed fast intra mode decision algorithms. Besides, hardware techniques such as increase the parallelism level and pipeline were also used to improve the intra prediction performance. The synthesis results for the IBM 0.65nm have shown that the architecture is able to achieve 500MHz as maximum operation frequency. This way, the architecture throughput is enough to perform the intra prediction process for more than 30 frames per second considering high resolution digital videos, such as Full HD (1920x1080).