모바일 초음파 영상신호의 빔포밍 알고리즘을 위한 멀티코어 프로세서 구현

Abstract

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).