Alla scoperta dell’FPGA

di Francesco Galarà

Forse non tutti sanno che DiGiCo nasce come Soundtracs ed ha una lunga tradizione nella produzione di mixer analogici, ibridi e digitali, dedicati principalmente al mercato degli studi di registrazione e del broadcast. L’artefice di tutto ciò è un singolare personaggio che, da circa quarant’anni, tira le fila dei giuochi.

Stiamo parlando di John Stadius, da sempre capo progetto dell’azienda che, con visioni proiettate nel futuro come un novello “Doc Brown”, dal lontano 1978 idea e realizza i prodotti di cui parleremo. Ospiti di DiGiCo presso la sede, situata in Chessington, Surrey – graziosa cittadina immersa nel verde a circa 30 km a sud ovest della capitale Britannica – incontriamo John Stadius, al quale poniamo alcune domande, ringraziandolo anticipatamente per la sua disponibilità.

Come è iniziata la tua carriera nel modo dell’audio?
Subito dopo essermi laureato in elettronica iniziai a lavorare per Soundtracs (prima Soundlab), progettando e realizzando mixer ed allestimenti custom per discoteche. Successivamente ebbi modo di realizzare amplificatori per strumenti musicali con il marchio “Frunt”. Intorno al 1980, diventato direttore tecnico di Soundtracs, iniziai a progettare mixer audio per studi di registrazione, live e broadcast. Nel 1982 fu realizzato il primo mixer analogico a controllo digitale e, subito dopo, iniziai a pensare ad un mixer audio totalmente digitale; la sua realizzazione richiese parecchi anni e nel 1996 vide la luce VIRTUA, il primo mixer tutto digitale, seguito subito dopo da DPC-II che fu la base per tutti gli sviluppi seguenti.
Nel 2002, all’inizio della storia DiGiCo, abbiamo usato DSP SHARC di Analog Devices nella nostra prima console digitale DiGiCo, D5 Live. In realtà usavamo questa tecnologia sin dal 1996, sulle consolle di post-produzione Soundtracs, società acquistata da DiGiCo, quindi SHARC era una tecnologia a noi molto familiare. In quel momento era la scelta più giusta, ma nello stesso tempo stavamo già sperimentando diverse opzioni da implementare in quella che sarebbe la scelta strategica per i futuri prodotti DiGiCo.

Quali sono stati i successivi sviluppi?
Nella continua e costante ricerca di nuove e più efficaci soluzioni per il mondo digitale, arrivammo a realizzare la tecnologia STEALTH basata su un singolo DSP FPGA – Field Programmable Gate Array – in grado di elaborare migliaia di informazioni molto velocemente. Utilizzando un singolo DSP abbiamo risolto una serie di problemi legati all’ingombro, al consumo ed alla dissipazione di calore prodotto. Questa tecnologia oggi è la base di tutti i mixer DiGiCo della serie SD e continua ad essere il cuore dell’elaborazione audio nella nostra nuova console S21

Oggi esistono tre tecnologie comunemente utilizzate per elaborare l’audio: DSP, FPGA e, più di recente, Intel o processori x86-based, come l’i7. Tutti svolgono funzionalità similari, quindi perché DiGiCo predilige FPGA rispetto agli altri due approcci?
Come ho già detto, i processori DSP sono sul mercato da parecchio tempo, mentre gli FPGA adatti ad essere usati come processori audio si sono resi disponibili solo all’inizio del XXI secolo, quasi contemporaneamente con le prime iterazioni del processore i7. In effetti, nel corso degli anni, tutte e tre le tecnologie hanno fatto notevoli progressi: I DSP SHARC di Analog Devices sono ora alla quarta generazione, e i7 è addirittura alla sua quinta generazione, e presto alla sesta, mentre i fornitori FPGA hanno migliorato (similarmente in termini di hardware) gli strumenti per la compilazione e la gestione dei dispositivi in modo da renderli sempre più efficienti. Di per sé i chip DSP e Intel sono simili nel loro modo di elaborare l’audio: una cosa alla volta, per cui risulta che per elaborare in contemporanea una grande quantità di dati occorrono un sacco di DSP che lavorino in parallelo; questo è in grado di farlo un singolo chip FPGA. È ovvio che l’audio engine diventi molto complicato e grande – 40 chip DSP occupano molto spazio e sono spesso disposti su più circuiti stampati. Questo può concorrere a rendere meno affidabile il progetto, rispetto all’uso di una singola mother board basata su uno o due chip, come il nostro motore di STEALTH. Una circuiteria che utilizzi molti DSP, inoltre, richiederà molta più energia di un singolo FPGA, generando un sacco di calore, che deve essere smaltito creando quindi altre criticità durante la progettazione.

E per quanto riguarda l’approccio di Intel?
i7 è stato progettato per applicazioni PC desktop, quindi non ha le caratteristiche di I/O adatte per l’interfacciamento con dispositivi audio: l’I/O è in concreto limitato ad Ethernet, PCIe e USB. Questo rende complesso l’interfacciamento con connessioni audio standard (non di rete). Per creare una porta MADI, ad esempio, potrebbe essere necessaria una speciale interfaccia PCIe dalla CPU verso un blocco MADI dedicato. Questo è costoso e richiede molto hardware e driver software specifici. Con FPGA, è sufficiente collegare i piedini giusti ad un semplice chip buffer e si dispone di un I/O MADI. La semplicità in un progetto come questo spesso significa più affidabilità nel lungo termine e una latenza inferiore. Intel i7 e simili non sono facili da scalare in basso, perché la complessità del loro I/O rimane uguale per tutti i livelli di motori audio. Inoltre ha un consumo di energia molto più elevato rispetto ad un equivalente FPGA; questo significa prevedere, tra l’altro, un sistema di raffreddamento attivo ed adeguate funzioni nel sistema operativo, cosa che può essere molto onerosa in termini di tempo di sviluppo. Si potrebbe utilizzare un sistema operativo di terze parti ma, ancora una volta, questo presenta complicazioni e costi aggiuntivi. Un altro fattore chiave in ambito audio live è costituito dal tempo di boot-reboot di un dispositivo. Mentre i processori X86 richiedono l’avvio del BIOS, seguito dal sistema operativo, prima di consentire finalmente il passaggio del segnale audio, un processore FPGA entra in modalità “on” e consente il passaggio dei segnali audio in uno o due secondi al massimo. Ciò diventa particolarmente importante in caso di interruzione dell’alimentazione. Inoltre, come detto in precedenza, FPGA richiede lo spazio di un’unica mother board all’interno della superficie della consolle, utilizzando quindi gli stessi alimentatori e riducendo il rischio di errori di connessione esterna.

In sostanza qual è il vantaggio chiave che risulta da tutto ciò?
I nostri progetti devono resistere alla prova del tempo in modo da consentire ai nostri utenti e clienti il tempo necessario ad ottenere un ritorno adeguato sul loro investimento. Al contrario, i mixer basati sui processori Intel hanno generalmente un ciclo di vita limitato: i modelli cambiano ogni pochi anni. Ciò significa che una console basata su queste tecnologie subirà frequenti aggiornamenti hardware per non rischiare l’obsolescenza. I produttori di dispositivi FPGA, nonostante continuino nell’evoluzione dei prodotti, garantiscono la disponibilità delle attuali versioni per ameno10-20 anni, continuando a beneficiare dei miglioramenti agli strumenti di sviluppo. Il nostro programma di aggiornamento del prodotto dimostra quanto questo sia vero con la continua aggiunta di migliorie in grado di mantenerne attuali nel tempo la funzionalità.

In sostanza, che cosa differenzia il progetto DiGiCo dai suoi concorrenti?
Spesso capita che il software di controllo del motore in una console basata su PC, giri su uno dei core della CPU nel motore audio. Questo viene normalmente gestito tramite un sistema operativo non real-time, come Windows o Linux. In caso di crash del software di controllo, questo dovrà essere riavviato e il flusso del segnale audio subirà fatalmente un’interruzione. L’unico modo per aggirare questo inconveniente è quello di avere due processori che lavorino separatamente e, ancora una volta, questo significa accrescere complessità e costi. In altri termini, progettare un processore per l’audio e il controllo delle applicazioni senza fail-safe è come avere tutte le uova nello stesso paniere.
Abbiamo speso ben cinque anni per far sì che il chip FPGA potesse lavorare esattamente come volevamo, ma alla fine ci siamo trovati ad avere a disposizione un sacco di vantaggi, tra cui la scalabilità, un tempo di avvio molto breve, la disponibilità del segnale audio quasi istantanea, tutto ciò a prova di futuro, con progetti che possono migrare da una generazione di prodotti all’altra, utilizzando strumenti di programmazione standard che non richiedono il supporto di un sistema operativo per l’esecuzione, bassa latenza, basso consumo di energia. Oltretutto con una grande semplicità costruttiva.

La domanda scontata è: perché se la tecnologia FPGA è così performante, pochi costruttori la adottano?
La risposta più semplice è: il tempo di sviluppo iniziale. DiGiCo ha impiegato circa cinque anni per sviluppare il suo primo prodotto basato su FPGA. Inoltre è comunque necessario uno speciale team di talenti per raggiungere questo obiettivo. Per contro programmare in un linguaggio di alto livello per i processori / i7-X86 dà modo di immettere un prodotto sul mercato più rapidamente, anche se, come abbiamo visto, questo presenta parecchi svantaggi.

Un costruttore di consolle digitali, di cui non farò il nome, ha recentemente sostenuto, a proposito di un nuovo prodotto basato su X86, come fosse semplicemente irrealizzabile poter mettere a disposizione il numero di canali e la potenza di elaborazione che una console richiederebbe utilizzando DSP o FPGA.
Forse per loro, ma Calrec, parte del Gruppo Audiotonix, ha sinora molti più canali di quanti ne citi il costruttore “misterioso” utilizzando un relativamente ridotto numero di FPGA in applicazioni più impegnative. Non vi è dubbio che l’utilizzo di FPGA ha permesso di espandere notevolmente le capacità di tutta la nostra gamma SD senza apportare alcuna modifica all’hardware di base del prodotto: tutti gli aggiornamenti e le espansioni sono stati resi disponibili solo attraverso firmware e software. Questo è tutto per quanto concerne l’utilizzo di FPGA, ed è anche la semplice ragione per la quale noi di DiGiCo continueremo ad usarli per un lungo futuro.

contatti: Audio Link

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