高スループット／低レイテンシ／高画質 AMD Alveo MA35Dのパフォーマンスを実際に計測してみた

はじめに

Alveo MA35D（以下、MA35D） は2023年4月に AMD から発表された、大量のストリームをトランスコード(デコード/エンコード)するのに最適な MA(Media Acceleration) カードです。対応するコーデックは AV1, H.264, H.265(HEVC) です。これらに加えて、VP9 がデコードにのみ対応しています。

ストリーミングのために専用に設計された ASIC を使用しているので、スループット、レイテンシ、画質、消費電力すべての面で高いパフォーマンスを得られます。

フロントエンドに FFmpeg, GStreamer を使うこともできますし、C API 経由で任意のアプリからMA35D を呼び出すこともできます。

C API Programming Guide — AMD AMA 1.2 documentation

amd.github.io

また、FFmpeg に MA35D 用のプラグインが追加されたソースコード(執筆時点では、5.1.2 からのフォーク)が公開されているので、GPL ライブラリなどを含む任意の構成でビルドしなおすことが出来ます。

MA35D のパフォーマンスは下記のカタログスペックから確認することができますが、今回は実際にFFmpegをフロントエンドとして使用してスループット、レイテンシ、画質の3つの観点でパフォーマンスの計測を行いました。

AMD Technical Information Portal

docs.amd.com

スループット

MA35D のスループットを評価するため、GPU との比較を行ってみます。 比較対象の GPU としては AWS の g4dn.xlarge に搭載されている NVIDIA T4 を使用しました。こちらも MA35D と同様に、FFmpeg のプラグイン (NVENC) でトランスコード処理をアクセラレートすることが出来ます。

GPU と MA35D のどちらも、PCIe 接続されてホストからトランスコードをオフロードされます。 PCIe カードとしてどれほどのスループット性能があるのかを計測した結果が Fig. 1 です¹。

各ストリームは 2K(1920x1080) のビデオです。H.264 の 2K ビデオをデコードしたうえで、ストリーム本数のエンコードを行っています。

グラフの見方は次の通りです。

• 横軸が1枚のPCIe カードで処理したストリーム数、縦軸が合計フレームレート(FPS)
• 実線が MA35D、点線が GPU
• 同じエンコード形式は同色

GPUがストリーム数を増やしてもスループットが上昇しないのに対して、MA35D はH.264, H.265(HEVC) が 32 本、AV1 は 64 本までスケールしていることがわかります。 さらに、GPU のホストはトランスコード時に CPU 使用率が17-35%を推移していたのに対し、 MA35D は 1% を維持していました。GPU のエンコードに対して、MA35D はオフロードの効果も大きいことが分かりました。

次に、Fig. 1 のスループットを、ストリーム数で割ったものが Fig. 2 になります。

30FPSで運用するケースを想定すると、Fig. 2 灰色部分はリアルタイムでの運用が出来ないことを表します。 ストリーム数が増えると、GPU はリアルタイム性能を下回ってしまう一方で、MA35D は30 FPS 以上(33.6 FPS)を維持しています。 カタログスペックの通り、AV1 は 2K 30FPS x 64本、H.265(HEVC), H.264 は 2K 30FPS x 32本のリアルタイムエンコード可能なことが確認できました。

レイテンシ

双方向コミュニケーションや、ライブストリーミングのアプリケーションでは、低レイテンシが求められます。今回は MA35D で実行できるものの中で、一番レイテンシが低くなる設定で計測を行いました²。

AV1, H.265(HEVC), H.264 それぞれのコーデックに対して、ファイルベースの”フレームレート指定なし”のエンコードと、“フレームレート指定あり”のエンコードを行いました。

“フレームレート指定なし”では H.265(HEVC) のエンコードで一番レイテンシが低くなるのに対し、“フレームレート指定あり”では3つのコーデック遅延はほぼ同じになるという違いが見られました。

今回は入力映像を 60 fps として設定しました。“フレームレート指定あり”では FFmpeg が 60 fps のエンコードをエミュレート(フレームレート調整)した結果、遅延時間が 1[sec] / 60[fps] = 16.6...[ms] と近い値に揃ったと推測できます。

参考までに、実際に実行したコマンドと、計測データの読み出し方法を以下に示します。

# エンコード実行(フレームレート指定なし)
#   "フレームレート指定あり" の場合は -re を付ける(-framerate 60 をエミュレートする)
ffmpeg -y -hwaccel ama -hwaccel_device /dev/ama_transcoder0 -s 1920x1080 -framerate 60 -pix_fmt yuv420p -i /dev/shm/rawdata/2k.yuv -vf hwupload -c:v h264_ama -b:v 2000k -lookahead_depth 0 -f rawvideo /dev/shm/output.h264
# レイテンシ読み出し
python3 /opt/amd/ama/ma35/ama-sdk/utils/Parse_Logs/parse_logs.py /tmp/log.txt

ここで、parse_logs.py は下記スクリプトを使用しました。

ama-sdk/utils/Parse_Logs/parse_logs.py at v1.1.2 · amd/ama-sdk

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github.com

画質

VMAF(Video Multimethod Assessment Fusion) は Netflix によって開発されたビデオ画質の主観評価手法です。人の手による画質評価を教師データとして学習させたAIモデル³が使われており、画像を入力すると推論結果として主観評価の結果を得ることが出来ます⁴.

GitHub - Netflix/vmaf: Perceptual video quality assessment based on multi-method fusion.

Perceptual video quality assessment based on multi-method fusion. - Netflix/vmaf

github.com

VMAFの値は高いほど画質が良く、逆に低いほど画質が悪いことを示します⁵。

比較対象には各コーデックで広く使われているソフトウェアエンコーダを用いました。

エンコードのパラメータは以下の通りです。

エンコーダに入力した映像(IBEX素材 桜並木)のサンプルをFig. 4に示します。

各コーデックの画質を計測した結果を VQ-Bitrate 特性として Fig. 5 に示します¹。

グラフの見方は次の通りです。

• 横軸がビットレート、縦軸が画質(VMAF)
• 実線が MA35D、点線がソフトウェアエンコーダ
• 同じエンコード形式は同色

AV1, H.265(HEVC), H.264 それぞれで、ソフトウェアエンコーダよりも MA35D エンコーダの方が全てのビットレートで画質が良いことが確認できました。言い方を変えると、「同じ画質では MA35D エンコーダの方が圧縮率が高くなる」と言えそうです。

圧縮率はストレージやネットワーク帯域の節約に直接関わる要素なので、コストメリットに寄与します。

まとめ

今回はリアルタイムかつ大容量ストリーミング向けメディアアクセラレータである MA35D を実際に FFmpeg をフロントエンドに動かし、性能を計測しました。

アイベックステクノロジーは MA35D の正規販売代理店であり、購入から製品の導入や運用のサポートまで担当いたします。詳しくはお問い合わせください。

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