Fiche projet - DSPBook

Le phénomène le plus remarquable de l'évolution technologique de l'informatique depuis un demi siècle n'est peut être pas l'augmentation impressionnante de la puissance qui a étonnement bien suivi la loi de Moore, mais plutôt la miniaturisation qu'il a été nécessaire de mettre au point pour y parvenir. A la place des systèmes gigantesques et omniscients imaginés par les auteurs de science fiction au tout début de cette période, nous sommes aujourd'hui entourés d'une myriade d'ordinateurs de plus en plus petits et discrets qui s'immiscent dans un nombre toujours plus important d'appareils et de machines (automobiles, climatisation, ascenseurs, ...). C'est avant tout la miniaturisation qui permet de recourir à l'assistance informatique dans tous ces domaines et sans doute encore beaucoup d'autres à venir.

Le processus de miniaturisation se poursuit toujours aujourd'hui, notamment avec l'apparition en 2008 du marché des netbooks. Pourtant l'essor de cette nouvelle catégorie d'ordinateurs portables, n'a pas vraiment démarré avec l'Asus eeePC 701. Seul le succès commercial a vraiment commencé à partir de ce modèle. Il y a eu de nombreuses tentatives antérieures dont l'une des plus réussies fut le Toshiba Libretto dès 1996.

Les netbooks aujourd'hui commercialisés pour quelques centaines d'Euros ont une capacité de calcul et de traitement équivalente à celle d'une station de travail d'il y a dix ans seulement. Ils n'ont pourtant pas la réputation de machines puissantes. L'informatique a bien sûr évolué en dix ans et pas seulement au niveau du matériel et l'attente des utilisateurs n'est plus la même. Les systèmes d'exploitation et les applications sont devenus plus gourmands en ressources sans que l'apport fonctionnel acquis dans l'intervalle soit tellement significatif. La plupart des tâches pour lesquelles nous mobilisons nos machines actuelles sont sans doute réalisables même par un netbook avec bien sûr quelques restrictions. La première d'entre elles serait simplement de ne faire qu'une chose à la fois. Ce n'est pas forcément un problème en soit, car malgré la convergence annoncée de longue date, le nombre d'appareils informatiques ou assimilé que nous utilisons ne s'est pas réduit à une machine unique capable de tout faire. Au contraire nous utilisons de plus en plus d'ordinateurs, prenant des formes de plus en plus variés, qui chacun se consacrent à une tâche particulière :

• Multimédia et divertissement : console de jeux, décodeur/enregistreur télévision numérique, baladeurs MP3.
• Communication : boxes internet, téléphones mobiles, points d'accès Wifi.
• Appareil photo numérique, imprimante multi-fonction, stockage de fichiers réseau (NAS)...

Tous sont de véritables ordinateurs qui peuvent même parfois être détournés de leur usage premier quand il est possible d'y installer un logiciel alternatif (exemple : NSLU2, OpenWRT).

Le principal intérêt des netbooks est de proposer une plateforme quasi-standard, très peu couteuse, de taille réduite, mais aussi économe en énergie et qui respecte en outre les normes de facto du monde de la micro-informatique. Le développement de nouvelles applications pour ce genre d'équipements ne nécessite pas de compétences spécifiques autres qu'un simple rappel de bonnes pratiques tombées en désuétude au fur et à mesure des améliorations apportées par chaque nouvelle génération de matériels.

Le projet dspbook se consacre donc à l'exploration des capacités réellement offertes par les netbooks et la mise au point des techniques de développement logiciel qui permettront d'exploiter tout le potentiel de ces systèmes.

Durant la première phase d'exploration des capacités de calcul d'un netbook construit autour du processeur Intel Atom N270, nous avons choisi de réaliser une application d'imagerie acoustique. Nous avons travaillé avec ACB Ingénierie qui a réalisé, entre autre, un système de visualisation du bruit. Nous avons donc tenté d'écrire un logiciel qui permet d'accomplir la même tâche sur un netbook.

le procédé d'imagerie mis en oeuvre exploite les signaux captés par une antenne composée d'une trentaine de microphones. L'analyse par formation de voie (communément appelée beamforming) se fonde sur le décalage spatial des microphones qui induit un décalage temporel du signal capté provenant de la source sonore analysée. L'algorithme permet de reconstruire l'onde sonore émise à un point de l'espace déterminé à priori. Par une répartition appropriée des points focaux, c'est à dire, des points de référence dont on calcul le signal qui y est produit, on peut reconstruire une carte d'intensité des sources sonores dans une scène d'étude. Cette carte est calculée en continu et superposée à l'image vidéo fournie par une camera intégrée à l'antenne pour ainsi visualiser en direct les sons émis par des objets filmés. Cette application permet de mettre en évidence les capacités honorables d'un netbook. En effet, nous avons réussi a lui faire réaliser simultanément les tâches suivantes :

• Calcul intensif : analyse combinée de 36 voies acoustiques échantillonnées à 44KHz et encodées sur 64bits flottants pour l'estimation de l'intensité du signal provenant de 225 points de l'espaces. La construction de la carte sonore nécessite environ 300 000 sommes.
• Le calcul est contraint par le processus d'acquisition vidéo, la construction d'une carte sonore est répétée pour chaque image vidéo, soit environ 20 fois par secondes.
• La superposition des cartes sonores sur chaque image vidéo au rythme de l'acquisition avec rendu par transparence selon l'intensité de chaque point de la carte.

Scène d'étude

Analyse en cours

Notre netbook parvient à accomplir toutes ces tâches, ce qui est très encourageant compte tenu du fait que notre codage est pour le moment assez direct et naïf, sans aucune optimisation particulière. Nous savons déjà que des améliorations significatives sont accessibles :

• Calcul entier 16 bits au lieu de flottant 64 bits (largement suffisant pour le rendu attendu).
• Exploitation des jeux d'instructions SSE du processeur.

L'étude des sociétés d'insectes, fourmis, termites, ou abeilles, a montré que des individus, même de capacité très modeste individuellement, peuvent par leur coopération résoudre des problèmes complexes et difficiles. L'application de ce principe a permis le développement de nouveaux algorithmes de classification et d'optimisation. Dans le même ordre d'idée, si on parvient à combiner les efforts de plusieurs netbooks, il doit être possible de traiter des problèmes qui leur seraient hors de porté individuellement. C'est d'ailleurs la seule voie actuellement suivie dans la conception des super-calculateurs : construire des machines massivement parallèles par la somme d'éléments relativement standards. Les netbooks pourraient même par conséquent être une bonne brique de base pour un super calculateur, d'autant que les processeurs qu'ils embarquent ont souvent un meilleur rendement. C'est à dire que la puissance de calcul par Watt électrique consommé est meilleure que celle des processeurs haut de gamme. Ce n'est malheureusement pas une voie que nous sommes en mesure d'approfondir.

Par contre, il y a un autre aspect important des netbooks à prendre en compte : la mobilité. Ces engins légers vont faciliter la constitution d'essaims d'outils d'acquisition et d'analyse. On améliore notre capacité de compréhension d'un phénomène en multipliant les points de vue. Par l'observation simultanée du même sujet depuis des points d'observation différents, et par la confrontation immédiate des mesures, il devient possible d'élaborer dans l'instant une modélisation plus riche du sujet. Un tel atout est primordial surtout quand le phénomène à analyser est difficile ou coûteux à reproduire.

les netbooks sont aussi communicants : wifi, bluetooth, 3G, sont autant de moyens de communication qui permettent de transmettre les résultats d'analyse partielle vers un système plus puissant apte à compléter l'analyse. En résumé, avec des netbooks, on peut construire à coût relativement faible, une grille de calcul dont les éléments sont mobiles, donc une grille qui sera elle-même entièrement ou partiellement mobile et qui intègre directement les dispositifs d'acquisition de données.