Немногие сейчас помнят, что еще два десятка лет назад персональные компьютеры были "немыми" (если не принимать во внимание небольшой динамик PC Speaker). Энтузиастами предпринимались отчаянные попытки снабдить ПК хоть какими-нибудь звуковыми способностями, например, "на коленке" в массовых количествах паялись "ковоксы", подключаемые к параллельному порту. И только 16 лет назад, с появлением легендарного Sound Blaster от Creative Labs, персональный компьютер зазвучал по-настоящему. На долгие годы термины "саунд-бластер" и "звуковая карта" стали синонимами, а подавляющее большинство пользователей совершенно искренне полагали, что любой периферийный звуковой адаптер для ПК называется Sound Blaster по определению, независимо от производителя и архитектурных особенностей.

Оригинальный Sound Blaster имел 11-голосный FM-синтезатор, порт MIDI для подключения музыкального оборудования или джойстика и был способен воспроизводить монофонический звук с 8-битной обработкой. Сегодня подобные характеристики выглядят смехотворными, но к моменту выхода на рынок Sound Blaster такое достижение воспринималось не иначе как волшебство. Благодаря грамотной маркетинговой политике и довольно спокойной атмосфере рынка дискретных аудиорешений для ПК, Creative Labs сумела сохранить свои позиции. И это вызывает уважение. Ведь известно множество случаев, когда производитель инновационного устройства не смог должным образом реализовать преимущества и закрепить успех, растворившись среди более проворных и удачливых конкурентов, как, например, легендарная 3Dfx. Достаточно вспомнить Aureal, поглощенную все той же Creative Labs.

Но есть и другие фирмы, выпускающие дискретные решения: Turtle Beach, продолжающая "влачить процветание", новички в лице чипмейкера VIA, автора удачного решения Envy 24, на базе которого создают конечные продукты другие заметные участники, скажем, Terratec, M-Audio и т. д. Однако на общую расстановку сил данный факт практически не влияет. Кроме того, нельзя не принять во внимание колоссальное давление на рынок дискретных звуковых карт со стороны производителей системных плат с интегрированными аудиорешениями. Если вначале никто не мог внятно объяснить, зачем на системную плату устанавливать убогий интегрированный аудиочип (существуют же роскошные и качественные внешние решения), то теперь точка зрения радикальным образом изменилась - качество "бортового" звука увеличилось в несколько раз, и рядовой пользователь нынче не понимает, зачем тратить деньги на еще один звуковой адаптер, если есть вполне приличный "из коробки"?

Пожалуй, это уже философский вопрос, способный вызвать очередную волну "религиозных" споров, ведь за время эволюции интегрированного аудио - от полной "непотребности" до вполне приемлемого звучания - производители дискретных карт во главе с Creative Labs отнюдь не сидели сложа руки. И то, что в самом начале считалось недосягаемым и излишним, сегодня клеймится определением "базовая функциональность".

Если с колокольни дискретного звука поглядеть на рынок интегированных звуковых решений даже самого высокого уровня (например, Intel High Definition Audio у чипсетов i915/i925), то выяснится: функциональность "бортового" аудио все-таки остается базовой, значительно отстающей от функциональности полноценных внешних карт. Например, Intel HD Audio можно сравнивать лишь с картами уровня Creative Audigy первого поколения - а это уже действительно базовая функциональность.

Надо сказать, что любители качественного звука без сожаления отключают интегрированный аудиочип - здесь и дань традиции, и неудовлетворенность возможностями интегрированного звука, и знание кое-чего и получше. Сегодняшняя наиболее продвинутая архитектура от Creative Labs носит название EMU10K2.5 - этот чипсет установлен на картах Audigy 2 ZS. Несмотря на все достоинства и возможности, EMU10K2.5 не был разработан с нуля - это лишь очередная переработка легендарного EMU10K1, с которого, можно сказать, началась эра звуковых карт с PCI-интерфейсом в лице Sound Blaster Live! Произошло это семь лет назад. За столь долгий период уже давно не мешало бы создать и что-нибудь более отвечающее духу времени. При всех доработках и инновациях, EMU10K2.5 тем не менее не вылечен от детских болезней EMU10K1 - взять хотя бы хрестоматийную проблему с частотой дискретизации, которая при обработке данных внутри чипсета составляет 48 кГц (а большая часть аудиоматериала изначально имеет частоту дискретизации 44,1 кГц) ...

И вот наступил момент, который в будущем летописцы от IT несомненно назовут эпохальным. Речь идет об анонсе новой разработки от Creative Labs. И это не какой-нибудь EMU10K3 - новая архитектура именуется X-Fi, с ее помощью компания рассчитывает достичь "Xtreme Fidelity". X-Fi предстоит сообщить большую специализированную вычислительную мощность современным персональным компьютерам, обеспечить качественно новый уровень звуковых эффектов в играх и предоставить широкие возможности различным мультимедийным приложениям. Планы почти наполеоновские.

В целом момент кардинальной переработки архитектуры звукового чипсета может сравниться лишь с 1998 годом - тогда пользователи, изучившие вдоль и поперек великолепные ISA-адаптеры Sound Blaster AWE32 и AWE64, трепетали в ожидании Live! с интерфейсом PCI. Надо сказать, их ожидания оправдались, Live! стал настоящим прорывом. Теперь попытаемся выяснить, что может предложить Creative Labs сейчас, когда новые интерфейсы и новые производительные архитектуры персональных компьютеров способны реализовать самые грандиозные идеи на столь популярном поприще, как игры и мультимедиа.

Чипсет

В эпоху гигагерц характеристики чипсета X-Fi вряд ли покажутся впечатляющими. Хотя, если сравнивать с графическими чипами, то внушительность ощущаешь - новая разработка Creative Labs работает на тактовой частоте 400 МГц и состоит из 51,1 млн транзисторов (сравнимо с Intel Pentium 4 Northwood, у которого 55 млн транзисторов). 400 МГц уже явно потребуют как минимум радиатора для охлаждения, а о числе транзисторов мы уже сказали. Чипсет будет производиться с применением технологических норм 0,13 мкм, напряжение питания микросхемы составит 1,2 В.

Если вспомнить что Northwood тоже изготавливался с 0,13-микронным процессором, и можно предположить, что в своих размерах чип X-Fi будет сопоставим с этим же процессором. Вычислительная производительность X-Fi предварительно оценивается на уровне 10340 MIPS. Если обратиться к аналогичным параметрам EMU10K2.5, они таковы: 200 МГц, 4,61 млн транзисторов, 0,18 мкм, 1,8 В и 424 MIPS.

Разница в количественных показателях разительная, остается лишь предвкушать возможности, которые могут быть реализованы с помощью X-Fi.

Применительно к процессорам для обработки звука важнейшее значение имеет понятие "логический гейт". Количество логических гейтов у X-Fi примерно 1,6 млн, у EMU10K2.5 - 200 тыс. В данном случае логические гейты обеспечивают кэширование аудиоинформации.

Кэширование при обработке звука, как и при обработке видео, имеет колоссальное значение.

И аудио-, и видеопоток представляют собой массивы данных, требующих обработки в реальном масштабе времени. Если, например, при обработке трехмерной графики "непопадание" в кэш повлечет лишь более низкое количество кадров в секунду, то в случае с аудио и видео это станет причиной рывков, заиканий и пропусков, вплоть до критического завершения приложений, если необходимая порция данных не будет доставлена вовремя.

Работа над чипсетом X-Fi началась около трех с половиной лет назад, когда IT-сообщество замерло в ожидании грядущего выхода шины PCI Express. По этой причине Creative Labs решила сделать акцент на хорошо известной шине PCI с возможностью оперативной адаптации под спецификации PCI Express. Потому первые звуковые карты на основе X-Fi будут с интерфейсом PCI, а более современные PCI Express выйдут по истечении некоторого времени.

Преобразование частоты сэмплирования

Преобразование частоты сэмплирования (Sample Rate Conversion, SRC) - процесс, при котором происходит изменение частоты дискретизации (сэмплирования) без искажения звукового "шага", то есть длительность звукового отрывка останется прежней. На практике такое преобразование наиболее просто реализуется в случае целых коэффициентов преобразования, например с 22,05 кГц до 44,1 кГц или с 96 кГц до 48 кГц и наоборот.

Наиболее утилитарной задачей является SRC между двумя величинами - 44,1 кГц и 48 кГц, и именно эта задача превратилась в настоящую проблему для Creative Labs еще со времен EMU10K1 в SB Live! Суть ее в том, что большая часть аудиоматериала имеет частоту сэмплирования 44,1 кГц, а чипсет EMU10K1 оперирует с фиксированной частотой 48 кГц. В этом случае алгоритм следующий: на вход EMU10K1 поступает аудиопоток 44,1 кГц, в чипе происходит преобразование 44,1-48 кГц, затем производятся некие операции над данными, и на выходе поток проходит обратное преобразование 48-44,1 кГц. Налицо две операции SRC, в то время как идеальный случай предполагает лишь одну. Избыток операций SRC неизбежно приводит к появлению модуляционных искажений, поэтому Creative Labs наконец всерьез озаботилась этим вопросом.

Впрочем, есть методы, позволяющие избежать подобных казусов. К примеру, программное преобразование, которое применяется во многих программных аудиопроигрывателях. Здесь поток проходит достаточно точное преобразование еще до попадания в аудиопроцессор и подается чипу уже в приемлемом виде с частотой сэмплирования 48 кГц. Недостаток у этого подхода лишь один: приходится жертвовать процессорными ресурсами, хотя очевидно, что такими специфическими операциями обязан заниматься аудиочип.

Итак, Creative Labs решилась всерьез изменить существующее положение вещей и выделила около 70% всей вычислительной мощности X-Fi (а это около 7,3 MIPS) для выполнения преобразований частоты сэмплирования. И надо сказать, положительные результаты налицо - преобразования тестового тона 997 МГц силами X-Fi с 44,1 до 48 кГц показали, что уровень искажений при этом не превысил -136 дБ.

Блоки X-Fi

Вся вычислительная мощность X-Fi разделена между пятью основными блоками: SRC (преобразование частоты сэмплирования, 7310 MIPS, 70%), Filter (наложение фильтров, 200 MIPS, 1,9%), Mixer (аппаратный микшер, 1210 MIPS, 11,7%), Tank ("Бак", 440 MIPS, 4,3%) и DSP (цифровая обработка сигнала, 1180 MIPS, 11,4%).

Преобразование SRC представляет собой весьма ресурсоемкий процесс. Компания применила двойственный подход: SRC-преобразование выполняется как при помощи аппаратного блока, так и с использованием программируемых функций. Выглядит разумно: в результате мы имеем мощь аппаратного пересчета плюс некоторую гибкую программируемую функциональность. Более того, ядро X-Fi способно оперировать не на какой-либо фиксированной частоте (48 кГц у Live!/Audigy), а на двух - 44,1 и 48 кГц. Ядро автоматически переключается на более приемлемый режим работы, хотя есть возможность жестко его зафиксировать.

Итак, учитывая два режима работы ядра X-Fi и аппаратный блок пересчета одной частоты в другую, можно надеяться, что старая проблема наконец решена. Creative Labs заявляет: в аппаратуре такой мощности итоговая производительность звуковых карт может быть ограничена лишь преобразователями ADC/DAC ("аналог-цифра" и "цифра-аналог" соответственно). По всей видимости, продукты высокого уровня на основе X-Fi будут оснащены мощными качественными преобразователями, а среднего и нижнего уровня - более дешевыми и массовыми, поэтому нынешние ухищрения с унифицированными драйверами от Creative, которые зачастую используются с самыми древними SB Live!, могут оказаться бесполезными.

Блок фильтрации предназначен для наложения сотен различных гибких цифровых фильтров, необходимых для пространственного моделирования среды звучания, позиционирования источников звука, синтезирования музыки и прочих типичных для звуковых чипсетов от Creative Labs задач. Этот блок предельно оптимизирован на аппаратном уровне для выполнения своих функций, поэтому вычислительная мощность его сравнительно невелика - 200 MIPS.

X-Fi реализует архитектуру нового типа, которую Creative Labs назвала Audio Ring ("звуковое кольцо"). Ключевым элементом архитектуры можно назвать блок микширования X-Fi - он масштабирует, суммирует и перенаправляет 4096 каналов Audio Ring. Кроме того, микшер выполняет связующую роль для внутренних точек синтезатора, ревербератора, эквалайзера, эффект-процессора и динамического процессора. Мгновенное оперирование 4096 звуковыми каналами есть задача далеко не тривиальная, поэтому микшеру выделено 1210 MIPS от всех имеющихся вычислительных ресурсов.

Интересно происхождение названия еще одного модуля X-Fi - Tank, или Tank Engine. Блок занимается наложением различных эффектов на базе задержек сигнала (например, отражение, реверберация, хор и т. д.). Было время, когда высококачественные линии задержек реализовывались при помощи поверхностных акустических волн в баке (Tank) с ртутью с использованием преобразователей на основе громкоговорителя и микрофона.

Имея 440 MIPS вычислительной мощности, Tank-модуль способен выполнять огромное количество операций вычисления адреса, которые в ином случае были бы возложены на центральный процессор ПК или модуль цифровой обработки сигнала DSP. Производя эти вычисления локально, X-Fi автоматически не зависит от потенциально возможных "пробок" в длинном конвейере основного процессора. При интенсивной обработке звука в таком случае могут появиться щелчки, остановки и прочие звуковые артефакты.

Удачно и "музыкально" назван блок цифровой обработки сигнала - Quartet DSP. Помимо "оркестровой" функции здесь отражена и способность DSP оперировать одновременно четырьмя аппаратными потоками. Quartet DSP это, по сути, настоящий SIMD-процессор (Single Instruction, Multiple Data, одна инструкция, множественные данные), который, по замыслу разработчиков, должен наиболее эффективно поддерживать стереосигнал и комплексные типы данных. Набор инструкций Quartet поддерживает типы данных с фиксированной и плавающей точкой и спроектирован для эффективной временной и частотной обработки сигнала.

Quartet DSP обладает вычислительной мощностью 1200 MFLOPS (сюда не входят операции вычисления адреса или перемещения данных), и инженеры Creative Labs считают, что специализированная архитектура этого блока позволит добиться производительности, близкой к пиковой, чего не сможет сделать "общеупотребительный" центральный процессор ПК. Так, Quartet способен использовать результат одной инструкции как входной операнд другой инструкции без "заторов" в конвейере или принудительного перемещения данных. Стоит сказать, что интегрированные на системные платы аудиорешения и карты на базе VIA Envy 24 не имеют DSP-блоков вообще.

Архитектура Audio Ring

Все блоки внутри X-Fi соединены особым методом, который реализует упомянутую архитектуру Audio Ring. Формально они объединены в общее кольцо - это очень гибкая топология, где каждый структурный элемент может взять данные из кольца, обработать их и поместить обратно в кольцо. Фактически маршруты сигналов внутри X-Fi могут быть любыми - из любой точки в любую точку.

Audio Ring представляет собой конвейерную мультиплексную шину с временным разделением, поддерживающую 4096 аудиоканалов. Под этим подразумеваются не только "внешние" каналы, а абсолютно все, включая внутренние для реверберации, динамического процессинга, эффект-процессинга и т. д.

Как любой продуманный процессор, X-Fi нуждается в быстрой и своевременной доставке данных. Для того чтобы избежать простоев, потребовалось, как в старые добрые времена, снабдить звуковую карту собственной памятью в размере от 2 до 64 Мбайт (ценовое разделение аудиокарт будет производиться и с учетом памяти). Вся ситуация говорит о приближении, в качественном понимании, звуковых карт к видеоадаптерам.

Вообще, вся кардинальная переработка звукового чипсета наводит на мысли, что X-Fi уготована долгая жизнь как в существующем представлении, так и на основе различных вариаций на эту тему - это, например, увеличение числа каналов Audio Ring, объема памяти и всего прочего, известного в мире видеоадаптеров.

OpenAL - API для разработчиков игр

Несколько лет назад Creative Labs предоставила разработчикам спецификации мультиплатформенного интерфейса OpenAL, что, по замыслу компании, должно было стать мощным инструментом для еще большей популяризации ее звуковых карт. Но несмотря на доступность OpenAL для Windows, Linux и MacOS, лишь ограниченное число игр способно работать с этим интерфейсом, и серьезной конкуренции DirectSound/DirectSound3D от Microsoft он не составил. Кроме того, у самой Creative Labs есть собственные расширения EAX для тех же DirectSound/DirectSound3D, что гораздо больше импонирует разработчикам игр.

На самом деле ситуация с OpenAL вовсе не так плачевна, как могло бы показаться. Из нескольких интернет-источников известно, что именно OpenAL станет основным аппаратно-акселерированным API для игр в операционной системе Longhorn, следующей версии Windows.

Гадание на кофейной гуще

Надо полагать, компания Creative Labs переживает крайне непростую ситуацию. С одной стороны, ведущий производитель разработал специализированный чипсет, способный "озвучить" бытовой персональный компьютер на уровне, недоступном еще никому и никогда. С другой - вряд ли продукты на основе X-Fi будут лидерами продаж: рынок дискретного звука, к великому сожалению, мельчает с каждым годом, и читатели не могли не заметить плавного "фокусирования" интереса Creative Labs на совершенно иных сферах цифрового звука (имеются в виду портативные медиапроигрыватели и акустические системы). Нет сомнений, что звуковые карты на базе X-Fi сыграют значительную роль в бизнесе компании, так как, согласно заявлениям производителя и имеющимся сведениям, X-Fi станет действительно выдающимся чипом. Сложность лишь в том, что компании потребуется приложить колоссальные усилия, чтобы четко определить приложения, способные подтолкнуть энтузиастов к апгрейду. Ведь на самом деле, нынешняя Audigy 2 ZS - очень и очень неплохая карта, особенно если не обращать внимания на количество транзисторов и прочие подробности, а просто слушать качественную музыку, играть в игры и смотреть DVD-фильмы. Казалось бы, чего еще желать? Вот на этот вопрос предстоит ответить как самой Creative Labs, так и многочисленным почитателям ее продукции.

Все-таки приятно сознавать, что, несмотря на засилье интегрированного дешевого звука, дело "саунд-бластера" живет и процветает.