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모바일 초음파 영상신호의 빔포밍 알고리즘을 위한 멀티코어 프로세서 구현
최병국,김종면,Choi, Byong-Kook,Kim, Jong-Myon 한국정보처리학회 2011 정보처리학회논문지 A Vol.18 No.2
과거에는 환자가 초음파 영상진단장치가 설치되어 있는 방에 가서 진단을 받았지만, 현재는 의사가 초음파 영상 진단장치를 가지고 이동하면서 환자를 진단(모바일 초음파, handheld ultrasound)할 수 있는 시대가 왔다. 그러나 초음파 영상진단장치로서의 기본적인 기능만을 구현하였으며, 초음파 영상의 질을 결정하는 초음파 빔의 포커싱 알고리즘에서 요구되는 고성능을 만족하지 못하는 실정이다. 또한 모바일 기기의 경우 저전력의 요구조건도 만족하여야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 모바일 초음파 영상신호의 포커싱을 위한 방법 중 대표적인 빔포밍 알고리즘(Beamforming Algorithm)을 고성능, 저전력으로 처리 가능한 단일 명령어 다중 데이터(Single Instruction Multiple Data, SIMD)기반의 멀티코어 프로세서를 제안한다. 제안한 SIMD기반 멀티코어 프로세서는 16개의 프로세싱 엘리먼트(Processing Element, PE)로 구성되어 있으며, 초음파의 에코 영상데이터에 내재한 무수한 데이터 레벨 병렬성을 활용하여 빔포밍 알고리즘에서 요구되는 고성능을 만족시킨다. 모의실험 결과, 제안한 멀티코어 프로세서는 현재 상용 고성능 프로세서인 TI DSP C6416보다 평균 15.8배의 성능, 6.9배의 에너지 효율 및 10배의 시스템 면적 효율을 보였다. In the past, a patient went to the room where an ultrasound image diagnosis device was set, and then he or she was examined by a doctor. However, currently a doctor can go and examine the patient with a handheld ultrasound device who stays in a room. However, it was implemented with only fundamental functions, and can not meet the high performance required by the focusing algorithm of ultrasound beam which determines the quality of ultrasound image. In addition, low energy consumption was satisfied for the mobile ultrasound device. To satisfy these requirements, this paper proposes a high-performance and low-power single instruction, multiple data (SIMD) based multi-core processor that supports a representative beamforming algorithm out of several focusing methods of mobile ultrasound image signals. The proposed SIMD multi-core processor, which consists of 16 processing elements (PEs), satisfies the high-performance required by the beamforming algorithm by exploiting considerable data-level parallelism inherent in the echo image data of ultrasound. Experimental results showed that the proposed multi-core processor outperforms a commercial high-performance processor, TI DSP C6416, in terms of execution time (15.8 times better), energy efficiency (6.9 times better), and area efficiency (10 times better).
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모바일 초음파 영상신호의 빔포밍 기법을 위한 최적의 매니코어 프로세서 구현
최병국(Byong-Kook Choi),김종면(Jong-Myon Kim) 한국컴퓨터정보학회 2011 韓國컴퓨터情報學會論文誌 Vol.16 No.8
본 논문에서는 모바일 초음파(mobile ultrasound) 영상신호의 빔포밍 알고리즘에서 요구되는 고성능 및 저전력을 만족시키는 매니코어 프로세서에 대한 디자인 공간 탐색 방법을 소개한다. 매니코어 프로세서의 디자인 공간 탐색을 위해 매니코어의 각 프로세싱 엘리먼트(Processing Element, PE)당 초음파 영상신호 데이터의 수를 변화시키는 실험을 통해 실행시간, 에너지 효율 및 시스템 면적 효율을 측정하고, 측정된 결과를 바탕으로 최적의 매니코어 프로세서 구조를 선택하였다. 모의실험 결과, PE 개수가 4096일 때 에너지 효율이 가장 높았으며, PE 개수가 1024일 때 가장 높은 시스템 면적 효율을 보였다. 또한, PE 개수가 4096인 매니코어 아키텍처는 초음파 영상장치에 가장 많이 사용되는 TI DSP C6416보다 각각 에너지 효율에서 46배, 시스템 면적 효율에서 10배의 향상을 보였다. This paper introduces design space exploration of many-core processors that meet high performance and low power required by the beamforming algorithm of image signals of mobile ultrasound. For the design space exploration of the many-core processor, we mapped different number of ultrasound image data to each processing element of many-core, and then determined an optimal many-core processor architecture in terms of execution time, energy efficiency and area efficiency. Experimental results indicate that PE=4096 and 1024 provide the highest energy efficiency and area efficiency, respectively. In addition, PE=4096 achieves 46x and 10x better than TI DSP C6416, which is widely used for ultrasound image devices, in terms of energy efficiency and area efficiency, respectively.
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효율적인 영상데이터 처리를 위한 SIMD기반 매니코어 프로세서 구현
최병국(Byong-Kook Choi),김철홍(Cheol-Hong Kim),김종면(Jong-Myon Kim) 한국컴퓨터정보학회 2011 韓國컴퓨터情報學會論文誌 Vol.16 No.1
최근 모바일 멀티미디어 기기들의 사용이 증가하면서 고성능, 저전력 멀티미디어 프로세서에 대한 필요성이 높아지고 있는 추세이다. 주문형반도체 (ASIC)는 모바일 멀티미디어에서 요구되는 고성능을 만족시키지만 다양한 형태의 멀티미디어 애플리케이션에서 요구되는 범용성을 만족시키지 못한다. 반면 DSP기반의 시스템은 범용성에 기인하여 다양한 형태의 애플리케이션에서 사용될 수 있으나, 주문형반도체 보다 높은 가격, 전력소모 및 낮은 성능을 가진다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 범용성을 유지하면서 고성능, 저전력으로 영상데이터 처리가 가능한 단일 명령어 다중 데이터(Single Instruction Multiple Data, SIMD)처리 방식의 매니코어 프로세서를 제안한다. 제안한 SIMD기반 매니코어 프로세서는 16개의 프로세싱 엘리먼트(processing element, PE)로 구성되어 영상데이터 처리에 내재한 무수한 데이터 레벨 병렬성을 높인다. 모의 실험한 결과, 제안한 SIMD기반 매니코어 프로세서는 현재 상용 고성능 프로세서보다 평균 22배의 성능, 7배의 에너지 효율 및 3배의 시스템 면적 효율을 보였다. Recently, as mobile multimedia devices are used more and more, the needs for high-performance and low-energy multimedia processors are increasing. Application-specific integrated circuits (ASIC) can meet the needed high performance for mobile multimedia, but they provide limited, if any, generality needed for various application requirements. DSP based systems can used for various types of applications due to their generality, but they require higher cost and energy consumption as well as less performance than ASICs. To solve this problem, this paper proposes a single instruction multiple data (SIMD) based many-core processor which supports high-performance and low-power image data processing while keeping generality. The proposed SIMD based many-core processor composed of 16 processing elements (PEs) exploits large data parallelism inherent in image data processing. Experimental results indicate that the proposed SIMD-based many-core processor higher performance (22 times better), energy efficiency (7 times better), and area efficiency (3 times better) than conversional commercial high-performance processors.
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모바일 초음파 영상신호처리를 위한 매니코어 프로세서 디자인 공간 탐색
최병국 ( Byong-kook Choi ),김종면 ( Jong-myon Kim ) 한국정보처리학회 2011 한국정보처리학회 학술대회논문집 Vol.18 No.1
본 논문에서는 모바일 초음파(mobile ultrasound) 영상신호의 빔포밍 알고리즘에서 요구되는 고성능 및 저전력을 만족시키는 매니코어 프로세서에 대한 디자인 공간 탐색 방법을 소개한다. 매니코어 프로세서의 디자인 공간 탐색을 위해 매니코어의 각 프로세싱 엘리먼트(Processing Element, PE)당 초음파 영상신호 데이터의 수를 변화시키는 실험을 통해 실행시간, 에너지 효율 및 시스템 면적 효율을 측정하고, 측정된 결과를 바탕으로 최적의 매니코어 프로세서 구조를 선택하였다.
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