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Al cuore del Nikon Expeed - ciò che muove le moderne fotocamere Nikon


Nelle FAQ europee di Nikon c'è questa definizione :
 
Cosa si intende per EXPEED?
EXPEED è il concetto di elaborazione delle immagini delle fotocamera digitali Nikon, basato sulle conoscenze acquisite da Nikon nel corso della sua lunga esperienza di realizzazione delle migliori immagini al mondo. EXPEED non si riferisce a un singolo elemento all'interno del sistema di elaborazione digitale bensì a un concetto che, quando viene applicato a un sistema di elaborazione, produce immagini che riflettono la passione di Nikon per l'eccellenza fotografica.


 Immagine inserita

Il concetto di elaborazione delle immagini EXPEED viene utilizzato dove si vede questo logo

EXPEED è il concetto che verrà applicato a tutte le future fotocamere digitali Nikon, sia ai modelli reflex che alle compatte COOLPIX . Utilizzando EXPEED come concetto di base, il sistema di elaborazione dell'immagine della fotocamera viene ottimizzato per assicurare immagini che soddisfano le esigenze più diversificate degli utenti e un'ampia gamma di applicazioni. EXPEED è destinato è svolgere un ruolo importante nella tecnologia di elaborazione delle immagini di Nikon e verrà applicato a ogni singola operazione del processore di elaborazione dell'immagine.
 


***

 
Si tratta di una definizione abbastanza recente di qualche cosa che esiste da quando ci sono fotocamere elettroniche e che Nikon mutua da altre case che già avevano battezzato il loro sistema.
 
Va alla radice del concetto cercando di metterlo in relazione con l'elaborazione delle immagini nel suo complesso tanto da esibire oramai anche le foto della scheda madre della fotocamera quando ne presenta una nuova generazione.
Una cosa impensabile negli anni scorsi !
 
Se in una fotocamera tante componenti concorrono al risultato finale - sensore, sistema di autofocus, esposimetro, mirino, visore LCD, sistema di memorie, interfaccia utente, batteria, etc. - in una moderna fotocamera digitale (senza riguarda alla categoria di appartenza dalla più piccola compatta alla più sofisticata ammiraglia), tutto il sistema viene controllato dall'elettronica.
 
La parte elettronica che è assimilabile più ad un moderno computer che ad una tradizionale insieme di controlli, è responsabile non solo del corretto funzionamento della fotocamera ma anche di tutte le sue prestazioni, sia in termini di ripresa che di elaborazione.
Diamo per assodato che ogni funzione sia controllata dall'elettronica (era vero anche per le macchine autofocus degli anni '90) ma anche le elaborazioni dei dati - compresa quella fondamentale oggi - di riduzione hardware del rumore e della amplificazione del segnale (ISO) sono elaborate dal sistema elettronico.
Sistema che nelle ultime iterazioni si è ulteriormente complicato da quando ha assunto anche funzioni video (non solo propriamente destinate alla acquisizione del video ma anche alla gestione del live-view in tempo reale, funzione che è anche alla base dei mirini elettronici).
 
Il sistema, peraltro, non si compone di solo hardware (circuiti, microchip) ma anche di tutta la parte software (le routine di calcolo e di elaborazione, altrimenti detti firmware).
 
Ed è tanto importante da portare a risultati che, a parità di sensore, possono essere sensibilmente superiori tra una casa e un'altra. Non è un caso se, dallo stesso sensore, Nikon riesce ad ottenere risultati migliori rispetto a Sony che resta tra i principali fornitori di sensori di Nikon.
Segno che il cervello della fotocamera elettronica+firmware - a parità di cuore (sensore) può fare la differenza.
 
Per queste (ed altre) ragioni il marketing delle varie case produttrici ha scelto di dare una denominazione, una etichetta che indicasse chiaramente le qualità della componente elettronica di controllo.
 
Canon tra le prime ha scelto il termine Digic (riferendosi principalmente ad un processore di origine Texas Instruments), Sony usa Bionz. Nikon ha battezzato il suo sistema Expeed, differenziandolo con un numero (1-2-3 sinora) o una lettera (C per le compatte) a seconda della generazione.
 
All'Expeed Nikon delega tutte le funzioni. Nell'Expeed viene trasferito tutto il know-how fotografico di Nikon. L'Expeed è in larghissima parte responsabile dei risultati che poi noi possiamo ammirare nelle nostre fotografie.
 
Ma al di là delle definizioni di marketing di che stiamo parlando ?
 
Sostanzialmente di un sistema integrato programmabile disposto su una o più schede madri (PCB) che stanno dentro alla fotocamera.
L'elemento principale è un microchip programmabile, detto comunemente processore (ma nella versione dedicata ad una specifica gamma di compiti : ASIC), che può svolgere diverse funzioni comprese quelle relative alla conversione dei segnali analogici in digitali, la lettura delle informazioni catturate dal sensore, la gestione della memoria, le interfacce esterne.
A parte sono presenti alcuni altri microchip con funzioni differenti e meno importanti : memorie, tastiere.
 
Alcune altre funzioni possono essere delegate ad altri circuiti (per esempio il circuito esposimetrico e dell'autofocus che nelle Nikon sono installate all'interno del complesso mirabox/mirino e non dentro al corpo, dietro al sensore principale).
 

Immagine Allegata: D90 (2).JPG

le due facce della PCB di una D90

 

nella foto qui sopra si identifica l'ASIC principale marchiato proprio Expeed. Appena sotto ci sono i due microchip di memoria (solitamente Samsung o Toshiba). Appena sopra il controller dell'interfaccia utente. DI fianco la eprom dove viene memorizzato il firmware, senza il quale il sistema anche se acceso è del tutto inutile.
 
La presenza di altri microchip dipende dalle funzioni integrate nell'ASIC principale.
Ovviamente la circuiteria ha al suo interno anche tutti i dispositivi necessaria al collegamento con tutte le parti che compongono la fotocamera, a sua volta dotate di elettronica di controllo integrata (come ad esempio il sensore che integra i circuiti di amplificazione e le maglie di lettura dei segnali, posti sotto allo strato dielettrico).

Tutto sommato nulla di troppo differente dalla scheda madre di un computer :
 

Immagine Allegata: atx-motherboard-parts-terminology.jpg

una scheda madre da PC di formato ATX con la terminologia delle varie parti

 

o meglio ancora di uno smartphone :
 

Immagine Allegata: pmiPhone_boardtopBIG.jpg

la PCB di un iPhone 3GS

 
ma con due differenze sostanziali.
 
Un PC è concepito per essere un sistema aperto, sia lato hardware (interfacce con componenti che possono essere aggiunti da altri produttori) che software (deve far girare software installato dall'utente). Uno smartphone è chiuso sul lato hardware (il sistema è integrato e non si possono installare altri componenti non previsti dal progettista) ma è aperto su quello software (si può installare software in termini di APP libere).
 
Il sistema che compone il nostro Expeed appartiene di più alla categoria degli embedded computer, quei dispositivi intelligenti ma chiusi, pensati per controllare il funzionamento di un apparato.
Come questo microcontroller per robot industriali :
 

Immagine Allegata: image815.jpg

SBC-2410x

 

messo a punto dall'Università di Amburgo per scopi didattici (costruzione in laboratorio di robot), attorno ad un microprocessore ARM Samsung, del tutto analogo a quello che Samsung stessa monta sui suoi smartphone Galaxy.
 
Nulla di magico, insomma, anche se le canne d'organo del marketing insufflano incenso e olii esotici sopra ad un dispositivo che invece è comune in ambito industriale.
 
Peraltro Nikon che non è un player del mondo dell'elettronica, acquista da comuni fornitori i dispositivi progettati dai suoi tecnici per le sue fotocamere.
Il processo di magico ha solo la capacità di condensare in una scheda di vetronite metallizata con saldati sopra dispositivi elettronici di grande mercato, la conoscenza e l'esperienza Nikon in fatto di fotocamere.
 
Qualche cosa che gli altri non possiedono ;) e qui, unicamente qui, sta il valore aggiunto dell'Expeed.
 
Bene, ma dove risiede tutta questa roba ?
Appena dietro al dorso della fotocamera, come si vede in questa foto di una D3x aperta :
 

Immagine Allegata: nikon-d3x.jpg

 

e così si capisce che dimensioni devono avere questi dispositivi (gli ASIC e i microchip) per poter stare su una scheda in grado di essere installata anche su una ... compatta !
Tutta un'altra storia rispetto ad un Intel i7 ... con annesso chipset ;)

EXPEED
 
Lo schema a blocchi del Fujitsu Milbeaut M-4 (2006), denominato internamente da Nikon El-142
 

Immagine Allegata: 800px-EXPEED_Milbeaut_M42.gif

 
impiegato sia da Nikon (in versione personalizzata su specifiche) che da Leica (M ed S2), Pentax e Sigma.
 
Si tratta di un ASIC (denominazione che si riferisce ad un processore/circuito integrato adibito ad una specifica funzione) di tipo Risc a 32 bit, della famiglia Fujitsu FR-V ed è alla base dell'Expeed originale in grado di operare in differenti ambienti, comprese varie versioni di Linux, particolarmente versato nel multimedia grazie alla capacità di processare in parallelo immagini o parti di immagine a 16 bit pur essendo di tipo single-core mentre si occupa anche di altre funzioni.
 
Nello schema si può vedere abbastanza chiaramente come il chip sia ad elevata integrazione, riunendo svariate funzioni che vanno da quelle di controllo e gestione dei sistemi della fotocamera, compresi schermo e memoria, oltre a quelle di lettura dei dati del sensore, conversione di formato ed elaborazione dati.
 
Si tratta di un processore non particolarmente costoso, integrabile convenientemente anche in fotocamere compatte e in telefoni cellulari grazie al basso consumo.
 
 

Immagine Allegata: 22730.jpg

la scheda madre della D300. D300, D3 e D3x utilizzano l'Expeed

 

 

L'Expeed (codice interno Nikon El-142) è stato utilizzato inizialmente nella D3 e nella D300 lanciate nell'estate del 2007.
Senza variazioni di sorta anche nella D3x oltre che nella D700.
In una versione aggiornata, denominata El-149, ha trovato impiego nella D300s, D90 e nella D5000 in cui è stata integrata la possibilità di processare video 720p codificato come MJpeg. Anche la D3s di fatto utilizza questa famiglia di processori (benchè per ragioni di marketing marchiato Expeed 1).
Utilizza tecnologia di produzione a 90 nanometri.
 
Ma in realtà esisteva anche prima della trovata di marketing che ha dato rinomanza a questo nome.
La precedente versione El-137 equipaggiava già D60 e D3000.
Ma anche D70/D70s, D40, D40x, D200 e D80 utilizzavano precedenti versioni di questo chip.
 
Si tratta della stessa famiglia di processori introdotta sul mercato da Fujitsu nel 2001, con processo produttivo a 180 nanometri, con un core in grado di processare solo immagini a 12 bit su due canali di lettura, nessun DSP aggiuntivo e capacità elaborative interne meno performanti.

EXPEED 2
 
Versione aggiornata (codice interno Nikon El-154, vanta prestazioni superiori rispetto alla precedente serie.
 
Equipaggia D7000, D3100 e D5100.
 

Immagine Allegata: 776.jpg

la scheda madre di una D7000

 

oltre ad una velocità di clock quasi raddoppiata ha un consumo ridotto grazie al processo produttivo a 65 nanometri.
Questo processore ha consentito di portare su queste macchine il video HD in formato H264 con elaborazione realtime.

Immagine Allegata: expeed.jpg
l'immagine preparata dalla comunicazione Nikon per simboleggiare l'Expeed
 
tre delle macchine che utilizzano l'Expeed 3 :
 
Immagine Allegata: nikon_d4_EXPEED_3.jpg
la scheda madre della D4
 
Immagine Allegata: nikon-d800-expeed-3.jpg
la scheda madre della D800
 
Immagine Allegata: NikonD600-03.jpg
la scheda madre della D600
 
 
 
Immagine Allegata: EI-175_MB8AC0210_mrk2bg.jpg
il Fujitsu che Nikon chiama internamente El-175, il cuore dellExpeed 3, questa serigrafia è stata estratta da una D3200.


Expeed 3 (architettura FR)
Questo ulteriore step offre una maggiore accuratezza nella conversione del segnale da analogico a digitale ed una maggiore capacità di calcolo oltre alla possibilità di produrre un flusso video HDMI non compresso e con un ridotto rolling-shutter.
Nella versione El-158 equipaggia la Nikon D4 e la Nikon D800.
 
Nella versione denominata El-175 è utilizzato anche su D600, D3200 e D5200. Le differenze sostanziali rispetto al El-158 riguardano la gestione della memoria di tipo DDR3.

Expeed 3 (architettura ARM)
A dispetto delle dimensioni e in particolare del piccolo sensore, le Nikon 1 richiedono una capacità di elaborazione superiore a quella delle reflex.
Per queste fotocamere è stata utilizzata la 6a generazione del chip Fujitsu (internamente denominata El-160) con architettura mutata da RISC ad ARM, in versione dual-core.
E' sempre prodotto con processo di metallizzazione a 65 nanometri ma impiega memoria DDR2 (1 gigabyte) a differenza della DDR3 delle reflex (in taglio da 4 gigabyte).
Nikon assicura che questo processore è in grado di elaborare 600 megapixel al secondo, con superiori prestazioni nella codifica del video H.264 e una più elevata capacità di scatto in termini di frame al secondo.
 
Expeed 3A
 
La versione 3A è stata specificatamente approntata per le superiori necessità della Nikon 1 V2. Qui la capacità di elaborazione arriva, secondo quanto dichiara Nikon a 850 megapixel al secondo (proporzionali all'incremento di risoluzione del sensore da 10 a 14 megapixel)

Tutte le versioni conosciute :
 
D70, D70s : EI-118 (stesso processore e stesso firmware)
D80 : EI-126
D200 : El-132
D40, D40x, D80, D60,D3000. El-137
D3, D300, D700, D3x : El-142
D3s, D300s, D90, D5000 : El-149
D7000, D3100 e D5100 : El-154
D4, D800/D800E : El-158
D600, D3200, D5200, D7100 : El-175
 
Nikon 1 : El-160
Nikon 1 V2 : El-160 enhanced (codice sconosciuto)

L'epoca pre-Expeed è caratterizzata anche da una minore pulizia dei dispositivi.
 
Salta all'occhio confrontando la PCB della Nikon D2x del 2004 :
 
Immagine Allegata: D2x.JPG
il processore pre-Expeed e la eprom (la memoria fissa dove risiede il firmware)
 
Immagine Allegata: D2x_2.JPG
il controller della memoria del buffer e i relativi chip
 
con quella della D4 del 2012 :
 
Immagine Allegata: nikon_d4_EXPEED_3.jpg
 
maggiore integrazione e miniaturizzazione hanno consentito una architettura più razionale, pur avendo prestazioni incalcolabilmente superiori. Il vero segno del progresso in elettronica !

Conclusioni
 
Questa carrellata di immagini ed informazioni volutamente tenute lontane da termini eccessivamente tecnici ci consente di arrivare ad una sintesi di concetti che a mio avviso interessano tutti i fotografi, anche quelli meno addentro alle questioni tecniche perchè ci consentono di capire i perchè di certe scelte.
 
- le moderne fotocamere digitali devono parimenti le loro prestazioni a quelle del sensore e dell'elettronica di controllo.
- Il sistema elettronico e la sua logica di programmazione consentono di difefrenziare le prestazioni dei sensori. Si spiegano così le altrimenti inspiegabili differenze di prestazioni tra fotocamere che condividono lo stesso sensore
- per poter essere alloggiati dentro una fotocamera e non appesantirne le prestazioni, gli ASIC principali (i processori) devono essere :
 
-- integrati. Avere cioè tante funzioni incorporate che evitino di dover utilizzare altri chip per funzioni non integrate
-- piccoli, economici, con consumi bassi
-- di larga disponibilità e programmabili con sistemi di dominio pubblico
-- flessibili e in grado di essere utilizzati per funzioni disparate, dalla lettura dei dati RAW della cattura del sensore, fino alla gestione del video dei display LCD passando per l'elaborazioni on-camera di semplici o più complesse funzioni (come ad esempio la riduzione del rumore nelle esposizioni lunghe o l'applicazione di funzioni ai jpg, come l'eliminazione della vignettatura, la riduzione del rumore e il controllo della distorsione)
-- utilizzabili sia in campo foto che video (che audio)
 
per avere tutte queste caratteristiche insieme è di tutta evidenza che dovranno sottostare ad alcuni compromessi.
Primo tra tutti l'equilibrio tra costo/consumo/prestazioni.
 
Chi è addentro alle questioni dei microprocessori avrà letto come il CHIP dell'Expeed sia prodotto - nelle varie declinazioni - con processi di metallizzazione che vanno dai 180 nanometri ai 65 nanometri dell'ultima generazione.
Quando Intel produce attualmente le sue CPU a 22 nanometri e si appresta a passare ai 14 nanometri.
 
Ma un Fujitsu dualcore di questi deve poter operare con pochi milliampere per ore ed ore di ripresa sul campo, alimentato da una batteria da 1.900-2.400 mAh che consente di fare migliaia di scatti.
Certamente non ha la potenza di un Intel i7 ed è concepito per portare a termine un solo ed unico scopo : controllare al meglio una Nikon.
 
Un Intel i7 4770K ha prestazioni esageratamente superiori ad uno di questi chip, probabilmente con un fattore di due ordini di grandezza. Però richiede dai 45 ai 200 watt di potenza (il solo processore, poi c'è il resto) forniti da alimentatori a 220 Volt e un impianto di dissipazione di calore enorme senza il quale brucerebbe.
 
Come avrete notato le PCB Nikon non hanno nè ventole nè dissipatori ...
... certo, le necessità di potenza di calcolo sono in crescita verticale.
 
Lo si capisce al volo vedendo come la Nikon V2, un affarino con un sensore minuscolo, per il solo fatto di avere un mirino elettronico realtime, richiede un processore più potente di quello della D4. Una ipotetica D4 mirrorless con mirino elettronico di qualità, necessiterebbe di un processore probabilmente 15-20 volte più potente di quello permesso dall'Expeed 3a.
 
Quindi il progresso delle fotocamere, arrivato a maturità nei sensori con questa tecnologia adesso vede come collo di bottiglia la potenza e la tenuta energetica e al calore dell'elettronica di controllo.
E' probabilmente qui che si giocherà la partita dei prossimi tre anni, quando le reflex verranno a tutti gli effetti affiancate da mirrorless prestazionali.
 
Ma questo è il futuro. Quanto scommettete sull'uscita dell'Expeed 4 nei prossimi mesi ?

© Nikonland 2013. Immagini prese dalla rete a puro scopo didattico e senza alcun intento di ledere diritti e copyright, tutti i marchi citati sono di proprietà dei legittimi proprietari.


13 Comments

E ci risiamo...

 

come sempre, esauriente interessante ma sopratutto chiaro e sintetico..  

 

brava redazione...

Tanto di cappello, articolo interessantissimo.

Lo rileggerò con calma per poterlo memorizzare meglio.

Nuccio

Foto
Francesco64
ago 27 2013 08:23

Ottima trattazione.

A me che sono un addetto ai lavori salta subito all'occhio l'utilizzo della tecnologia a 65 nm.

Ormai vecchia di almeno 5 anni, ma ancora largamente utilizzata. E questo perche' sebbene le tecnologie a 40 e 28 nm, senza andare ai 20, garantiscano prestazioni migliori e consumi inferiori, il costo dello sviluppo di un ASIC in quelle tecnologie e' estremamente alto.

Quindi evidentemente Fujitsu e i suoi clienti non ritengono che il gioco valga la candela. Ma c'e' gia' oggi spazio per fare un processore piu' potente e che consuma meno dell'Expeed3 con pochissima fatica.

Piuttosto questa scelta dimostra che la tecnologia del silicio, che ha conosciuto una corsa alla miniaturizzazione senza freni da quando nel 1947 fu realizzato il primo transistor funzionante, sta' entrando in una fase di maturita' in cui non necessariamente l'ultimo ritrovato e' piu' veloce, piu' grande, piu' economico e consuma di meno. La coperta si accorcia.

Bell'articolo!

Quello che mi fa specie sono i 65 nanometri! Veramente indietro sia come consumi che come costi di produzione è un dinosauro tecnologico uscito sul mercato per la prima volta nel ...2006!!!

 

Comunque Un Intel i7 4770K è un processore general purpose,forse se facessero "a gara" risulterebbe più lento nell'eseguire le operazioni della fotocamera..ma non ho dati per confermarlo,non esistono emulatori in commercio.

Foto
danighost
ago 28 2013 11:45

wow ... interessante :)

Foto
Bernardo Gattabrìa
ago 29 2013 13:32

Bella disamina, Mauro. E pensare che ritenevo nell'ottica il collo di bottiglia del futuro delle fotocamere.

Me lo sono salvato a parte...

Io vorrei tanto capire se i processori sono diversi per i diversi produttori di DSLR oppure quello che Nikon chiama "Expeed" é di fatto la stessa cosa che monta Sony o Canon rimarchiata.

O quasi.

 

Le velocitá sono piú o meno le stesse per tutti, ed in questo momento solo Sony pare essere piú veloce (o con piú processori), riuscendo a gestire sia sensore che mirino a piú o meno la stessa cadenza di Nikon (ma, appunto, con il mirino elettronico in piú).

 

I vari Expeed, compresi i futuri, sono l'ovvio (ma non per questo banale) sviluppo di una azienda che non se ne sta con le mani in mano, ma come minimo sta al passo con la concorrenza. :)

a_

Foto
Mauro Maratta
set 11 2013 11:28

E' scritto nell'articolo.

 

Il Digic di Canon è un processore di immagine di derivazione Texas Instruments con una architettura del tutto diversa (è capace per esempio di eseguire processi residenti su memoria esterna, quindi alternativi al firmware impostato da Canon, cosa che il Fujitsu usato da Nikon non è apparentemente pensato per fare).

Il Bionz di Sony è sviluppato in casa a partire dagli Asic utilizzati nelle Playstation e negli smartphone di Sony stessa.

 

Il Fujisu usato da Nikon è una versione personalizzata del Milbeaut che viene utilizzato anche da Leica e da Pentax.

La personalizzazione del Nikon avviene fin dalla progettazione delle funzionalità rispetto al software che farà girare, grazie ad un team di sviluppo misto Nikon-Fujitsu.

 

Si tratta comunque di chip di larga diffusione industriale e di costo economico, quindi presenti sulle elettroniche di controllo più disparate, dalle telecamere di videosorveglianza ai robot industriali.

 

Quello che fa dell'Expeed ... l'Expeed è il know-how di Nikon.

 

Attenzione al parallelo con Sony.

La differenza - grande - la fa l'autonomia : il compromesso di Nikon-Fujitsu al momento è di gran lunga più efficiente sul piano energetico.

Stesso discorso sui tempi di bootstrap. Solo Canon può competere con la soluzione Nikon in termini di tempi di avvio. Le Sony sono ben più riflessive alla partenza.

 

Ma in ogni caso parliamo già di due generazioni differenti. Il nuovo Fujitsu appena presentato e che verosimilmente andrà sulle future Nikon ha un consumo energetico del 30% inferiore a quello installato sulla D800/D4 con prestazioni del 100% superiori.

e diciamo poco...

 

riaggiornato il salvataggio..

Foto
Adriano Max
set 12 2013 16:47

e diciamo poco...

 

riaggiornato il salvataggio..

 

Una sintesi davvero puntuale: è un grimaldello per tutti al fine di comprendere a pieno le prospettive di sviluppo delle nostre attrezzature fotografiche.

:)

 

Grazie Mauro !

Adriano.

Foto
Leonardo Visentìn
set 12 2013 23:18
Ottimo articolo, come sempre. Penso che, come le leggi del marketing dettano, probabilmente già ora potremmo avere una D4s con capacità ben superiori a quelle attuali in termini di raffica (ma forse l'esempio più corretto dovrebbe essere la D800 da 15-20fps), passando ad un Expeed a 32nm per esempio (come i Sandy Bridge di Intel - architettura Westmere - senza puntare ai 28 o 22 del die shrink Ivy Bridge), ma ciò ammazzerebbe il mercato e taglierebbe le gambe alla stessa Nikon. Resta il fatto che siamo ben lontani dai tempi della Nikon FM :)
Mario Bollani
set 15 2013 13:44

veramente un bell'artico, complimenti

ciao

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