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Come funziona Argos, il nuovo chip dei server di YouTube

Ogni minuto vengono caricate 500 ore di video su YouTube da utenti di tutto il mondo: uno sforzo titanico, al quale Google ha risposto creando un nuovo chip ottimizzato
Come funziona Argos, il nuovo chip dei server di YouTube FASTWEB S.p.A.

Ogni anno milioni di video vengono pubblicati su YouTube e un numero sempre più alto di essi è in risoluzione 4K. Questo comporta per la piattaforma di Google degli sforzi immensi, non solo per l'archiviazione di una enorme mole di dati, ma anche dal punto di vista computazionale.

I video che carichiamo su YouTube, infatti, non vengono poi riprodotti tali e quali: prima di diventare disponibili per il pubblico vengono compressi ed elaborati affinché possano essere riprodotti al meglio anche sui dispositivi meno potenti, anche con una connessione a Internet non molto veloce.

Poiché il numero di video caricati su YouTube è in costante crescita ormai da anni, così come è in crescita la risoluzione media dei video, Google ha capito da tempo che doveva dotarsi di data center ottimizzati proprio per l'elaborazione e l'archiviazione dei contenuti di YouTube.

Nel 2015, per questo, ben 100 ingegneri di Google hanno lavorato alla creazione di un primo processore specializzato nella conversione dei video e lo hanno poi integrato nei data center di YouTube. Recentemente, durante la ASPLOS Conference 2021 che si è tenuta dal 12 al 23 aprile online, è stato invece presentato il chip di seconda generazione: si chiama Argos e ha prestazioni nettamente superiori al suo predecessore.

500 ore di video al minuto

youtube chip argos

Prima di capire come è fatto Argos bisogna almeno rendersi conto del lavoro che deve fare. Ogni minuto su YouTube vengono caricati da semplici utenti e creator di tutto il mondo ben 500 ore di video. Un lavoro del genere non può essere svolto in modo efficiente neanche dal miglior processore "general purpose": serve un operaio specializzato, un chip nato per fare solo questo.

Argos è proprio uno di questi chip ed è in grado di gestire i video con una velocità tra 20 e 33 volte superiore a quella di una CPU o GPU tradizionale per server. Riesce a farlo, inoltre, consumando meno energia e questo è un grande vantaggio per Google e per l'ambiente.

Un altro grande vantaggio di Argos è che può essere usato nei normali server, quelli già esistenti. Questo perché è installato su una scheda PCI-E proprio come le schede video che fino a poco tempo fa erano deputate a fare i calcoli necessari per tenere in piedi YouTube.

Un video, tanti formati

youtube codifica

La parte difficile del lavoro di Argos è la transcodifica di ogni singolo video caricato in diversi formati e con diverse compressioni. Quando vediamo un video su YouTube, infatti, abbiamo la possibilità di aprire le impostazioni e scegliere la qualità di visualizzazione: se non abbiamo una connessione a Internet di alto livello, infatti, conviene abbassare la qualità per migliorare la fluidità di riproduzione.

Ad ognuna delle qualità disponibili dal player di YouTube corrisponde un precedente lavoro di trasformazione del file da parte di Argos. Moltiplicando il numero dei video caricati per il numero di varianti disponibili (4K, 1440p, 1080p, 480p, 360p) si ottiene, grosso modo, la quantità di lavoro che i server di YouTube devono compiere ogni giorno, tutti i giorni, senza sosta. Uno sforzo titanico.

Il nuovo codec AV1

youtube

Per moltissimi anni i codec (cioè i protocolli di compressione e decompressione dei video e dell'audio) più usati al mondo sono stati quelli MPEG: Motion Picture Experts Group. Questi codec sono stati formalizzati da un comitato tecnico formato dalle due organizzazioni internazionali ISO e IEC nel 1988 e sono stati nel tempo aggiornati alle nuove esigenze.

Uno dei più recenti è l'MPEG-4 AVC, noto anche con il nome di H.264, che è quello che viene usato per le trasmissioni televisive in standard digitale terrestre DVB. Le future trasmissioni in digitale terrestre di seconda generazione DVB-T2, invece, useranno il successore chiamato H.265.

Google ha scelto di fare a meno dei codec MPEG per due motivi: il primo è economico, visto che per usare questi codec bisogna pagare delle licenze, e il secondo è tecnico, visto che esistono altri codec più efficienti. Insieme a Mozilla, Cisco, Microsoft, Amazon e Netflix Google ha creato la Alliance for Open Video al fine di realizzare un nuovo codec open source più efficiente. Il risultato si chiama AV1 e offre una qualità superiore del 30% (a parità di bitrate) ruspetto al codec MPEG-4, oppure un minore bitrate a parità di qualità.

Usando AV1, quindi, YouTube riesce a trasmettere un video in 4k su una connessione che precedentemente poteva reggere al massimo lo streaming di un contenuto in risoluzione 1080p. Il nuovo chip Argos, quindi, è nato proprio per elaborare flussi di dati con il codec AV1 (che, in pratica, Google si è fatto in casa) e questo è uno dei motivi della sua grande efficienza.

Ma non solo: poiché è anche Google a decidere se e quando aggiornare il codec AV1 e quali specifiche aggiungere, è molto probabile che ogni modifica che verrà fatta a questo codec sarà studiata ad arte per offrire i migliori risultati proprio su chip Argos di Google.

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