Episode 2: The ghost in the shell - Prozessoren
Episode 2: The ghost in the shell – Prozessoren
Ein Überblick zur Serie:
Die mehrteilige Serie von Erik Steckmann könnt Ihr über folgende Links erreichen:
- Episode 1: Build like a tank – Gehäuse
- Episode 2: The ghost in the shell – Prozessoren
- Episode 3: Hit me like a … – Tasten & Pads
- Episode 4: The F Word – Firmware, Bugs, Features und Update-Mechanismen
Vorwort des Autors zu „The ghost in the shell – Prozessoren“
In einer Welt der digitalen Geräte verfügen selbst die Einfachsten eben dieser über Prozessoren. Oft missachtet und von Herstellern selten erwähnt, stellen sie dennoch das Herzstück von vielen der Lieblinge in eurer Gear-Sammlung dar.
In Teil 2 meiner Kolumne werde ich euch also einen Einblick in das Herz der meisten Synthesizer geben. In den Peeks zeige ich euch, wo die Reise hinführt und erzähle eine nicht gruselige Geistergeschichte über ein frühes Stadium der Synthesizerentwicklung.
This is where we coming from
Ursprünge der Digitaltechnik in der Musikelektronik
In der Frühzeit der Synthese war die Klangerzeugung vollkommen analog. Dies begründet sich, völlig logisch, in der fehlenden Existenz digitaler Technologie und vor allem digitalen Signalprozessoren, kurz DSPs.
Die ersten Schritte auf dem Gebiet der digitalen Synthese wurden mit gewöhnlichen Computern durchgeführt. So sicherte sich Yamaha im Jahre 1973 das Patent auf den Algorithmus der FM-Synthese. Von dort an sollte es noch einige Jahre dauern, bis Yamaha das Konzept in ein verwertbares Produkt ummünzen konnte.
Den ersten kommerziellen digitalen Synthesizer veröffentlichte die Konkurrenz von Casio. Im Jahre 1979 veröffentlichten die Japaner den VL1 zu einem Kampfpreis von 69,99 $ (ein AMAZONA.de Test folgt bald). Ein Jahr später ging auch Yamaha mit dem GS-1 an den Start. Dieser kostete mit ungefähr 16.000 $ etwas mehr als der VL1. Weitere Geräte der gleichen Zeit, die Geschichte schrieben, waren das Fairlight CMI und das NED Synclavier.
Aller Anfang ist schwer – der erste digitale Synthesizer auf dem Markt war der Casio VL1
Frühe digitale Synths verwendeten festverdrahtete digitale Bauteile und verzichteten auf intelligente Prozessoren und die damit verbundene Architektur aus RAM und ROM. Der neben den frühen Problemen digitaler Synthese größte Nachteil der damaligen Zeit war der extrem hohe Preis der Produkte. Dies sollte sich im Jahre 1983 ändern, als Yamaha mit dem DX7 das (vorzeitige) Ende der Heydays der frühen analogen Synthesizer einleitete. Neben dem niedrigen Preis war die Technologie des Key-Scalings ein maßgeblicher Fortschritt auf dem Weg zu heutigen digitalen Synths. Ab hier ist die Geschichte schon oft erzählt worden, also lasst uns direkt zum Kern des Artikels springen.
Size does matter!
Wie wichtig ist Prozessorleistung im Alltag?
Im Gegensatz zu Computersystemen und in neuster Zeit auch Smartphones und Tablets wird Prozessorleistung in der Welt der Synthesizer und Sampler nur in sehr seltenen Fällen als direktes Verkaufsargument vermarktet. Das liegt daran, dass es für den Konsumenten schwierig ist, einen Zusammenhang zwischen Prozessorleistung und Klangqualität zu erkennen. Dieser ist in vielen Fällen auch gar nicht gegeben. Die einzige Anforderung ist, dass die vorgegebenen Aufgaben ohne Probleme erfüllt werden können.
In Abhängigkeit von der Systemarchitektur eines Gerätes verändert sich der Bedarf an Prozessorleistung im Laufe der Lebenszeit meist nur sehr wenig. Das eine oder andere Firmware-Update wird die Belastung des Prozessors eventuell etwas erhöhen. Eine sich schleichend einstellende Inkompatibilität zu Software, wie sie aus der Computerwelt bekannt ist, ist normalerweise ausgeschlossen.
Arm Cortex A7 – unscheinbarer Kasten voller Power
Take what you want
Dynamische Leistungsverteilung und ihre Vorteile
Besonders in Workstations, Grooveboxen und all-in-one Geräten, die oftmals liebevoll als „eierlegende Wollmilchsau“ bezeichnet werden, ist es sinnvoll, Prozessorleistung frei und dynamisch zuzuweisen. So sind beispielsweise bei der Korg Electribe 2 Serie Stimmen und Effekte nicht mehr fest an Spuren oder Busse gebunden, sondern können frei zugewiesen werden. Dies erweitert die Freiheit für den Nutzer in einem eigentlich geschlossenen System erheblich.
Clevere Kiste – die Korg Electribe 2 Serie bietet dynamische Verteilung der Leistung
Das System kann sogar clever auf MIDI-Controller angewendet werden. So gaben schon in den frühen 2000er-Jahren die Ingenieure von Jazzmutant ihren Kunden die Möglichkeit, Controller-Oberflächen frei zu definieren. So wurde im Optimalfall die maximale Leistung der Prozessoren ausgenutzt.
Das Konzept wurde vor nicht allzu langer Zeit von Percussa auf die Spitze getrieben. Das Eurorack-Modul „SSP“ (Abkürzung für „Super Signal Processor“) wartet mit einem Arsenal an Ein- und Ausgängen, kombiniert mit einem Cortex A17 Prozessor, auf. Dieser leistet unglaubliche 4x 1,8 GHz und verfügt neben 2 GB RAM über ein 1600 x 480 Pixel großes Display. Mit dem fortschrittlichen Betriebssystem ist es dem Nutzer möglich, sich aus vorgegebenen Modulen nahezu jede vorstellbare Anwendung frei zu konfigurieren. Ein Desktop-PC im Eurorack, der wirklich keine Wünsche offen lässt – außer vielleicht einen bezahlbaren Preis.
Auf den ARM genommen
Die All-Star-Prozessoren der Cortex M Serie
Die am meisten verwendeten Prozessoren in gegenwärtiger Musikelektronik, vom Synth bis zum Effektpedal, tragen die Bezeichnungen M4, M7 oder M8. Die 32-Bit-Prozessoren bieten Taktraten zwischen 200 und 800 MHz. Die auf den ersten Blick gering erscheinende Leistung reicht in den meisten Fällen aus, die Geräte mit genug Performance zu versorgen, um die gegebenen Aufgaben zu erfüllen.
Die Allstars der Prozessoren für Musikelektronik – ARM Cortex M
Die Prozessoren der japanischen Firma ARM stammen aus der Klasse der RISC-Prozessoren. RISC steht für „Reduced Instruction Set Computer“. Simpel gesagt, ein Prozessor mit einem auf spezielle Anwendungen reduzierten Befehlssatz. Der große Vorteil ist neben der günstige Herstellung und dem damit verbundenen niedrigen Preis vor allem der niedrige Stromverbrauch und die einhergehende geringe Wärmeentwicklung. Dies stellt für die meisten Spezialanwendungen ein Kernfeature dar.
Umgesetzt wird die Technologie von verschiedensten Lizenznehmern wie zum Beispiel Infineon, Texas Instruments oder Freescale. Eine Einheit kostet im Einkauf zwischen 8 Euro und 30 Euro. Natürlich sinkt der Preis mit der Menge der gekauften Prozessoren und ermöglicht es den Herstellern, relativ kostengünstig zu produzieren.
Analog purism
Prozessoren in analogen Synthesizern
Everything is digital today – oder doch nicht? Heutzutage findet sich Digitaltechnik in nahezu jedem Synthesizer auch denen, die als „fully-analog“ betitelt werden. In den meisten Fällen versteckt sich unter der Haube ein Hybridsystem aus analogen und digitalen Komponenten. So sind beispielsweise Hüllkurvengeneratoren, Sequencer und andere Modulationsquellen meist digital ausgeführt. Dies bringt eine Menge Vorteile, schreckt aber auch den ein oder anderen Puristen ab.
In nahezu allen Designs sind die Benutzeroberflächen digital kontrolliert. Hier arbeiten teilweise sehr günstige Prozessoren daran, die Werte der Tasten und Potentiometer auf der Oberfläche abzunehmen und in analoge Spannungen umzuwandeln. Die so gewonnen Daten werden dann an die analogen Komponenten auf dem PCB weitergegeben. So ist es erst möglich, Patches speichern zu können. Eine Funktion auf die heutzutage niemand mehr verzichten kann. Total Recall!
As pure as it can be – selbst komplett analog anmutende Synths besitzen ein digitales Herz
Design Peek: The future is now
Moderne FPGAs und ihre Möglichkeiten
Mit FPGA werden in der Fachsprache spezielle ICs (integrierte Schaltkreise) bezeichnet, die auf den wenig flutschigen Namen „Field Programmable Gate Array“, auf Deutsch, programmierbare Logikgatter, hören.
Bei FPGAs handelt es sich um extrem leistungsfähige, sehr spezielle Hardware-Bauteile, die in jüngster Zeit auch für Audiosynthese verwendet werden. Die Technologie an sich ist nicht neu, doch wie so oft führt die clevere Anwendung zu neuen Produkten.
Ein Paradebeispiel und einer der ersten Synths, die auf FPGA basierende Oszillatoren setzen, ist der Novation Peak. Das Team um Synthdesigner-Legende Chris Hugget hat mit dem Design von Peak dem schlechten Ruf von digitalen Oszillatoren endgültig ein Ende gesetzt.
Durch die extrem hohe Taktrate, die mit FPGA Technologie erreicht wird, ist es möglich, analoge Schwingungsformen mit einer derart hohen Auflösung abzubilden. So lassen sich diese klanglich nicht mehr von „echten“ analogen Schwingungsformen unterscheiden. Der große Vorteil ist die extreme Genauigkeit, mit der die Wavetables aus dem Speicher in die analoge Welt „übersetzt“ werden. So beherbergt Peak einige grundlegende Schwingungsformen, die bereits völlig ohne Processing wie komplettes Patches anderer Synthesizer klingen.
In der Zukunft wird die Technologie sicherlich von vielen anderen Herstellern adaptiert und die klangliche Bandbreite moderner Synthesizer maßgeblich erweitert. Auf zu neuen Ufern!
Technology peak – im Novation Flaggschiff werkelt ein FPGA-Prozessor
Development Peek: Scary monsters and nice Steins
Frankenstein Prototypen in der Produktentwicklung
Im zweiten Peek möchte ich euch einen kleinen Einblick in die Entwicklung von Synthesizern geben. Eine der ersten Herausforderung für Entwicklungsteams ist eine sogenannte Machbarkeitsstudie. Die Entwickler müssen hier beweisen, dass es grundsätzlich überhaupt möglich ist, die vom Designteam erdachten Konzepte technisch umzusetzen.
Da in diesem frühen Stadium der Entwicklung natürlich noch keine anderen Prototypen vorliegen, erweist sich diese Beweisstellung oftmals als schwierig. Das größte Problem hierbei ist die Zeit, die die Erstellung eines echten Prototypen-PCB benötigen würde. Der frühe Vogel fängt den Wurm.
Ein Frankenstein Prototyp – gut zu erkennen sind die Modifikationen in Form von aufgelöteten Kabeln am Mainboard
Eine clevere Lösung des Problems ist in vielen Fällen ein sogenannter Frankenstein-Prototyp. Die Legende vom Monster Frankenstein beschreibt ein Wesen, das aus Teilen anderer Wesen zusammengesetzt wurde. Und genau das ist ein Frankenstein-PCB. Zusammengesetzt aus einen PCB von einem anderen, oft ähnlichen Gerät, kombiniert mit einer modifizierten oder neu erstellten Firmware entsteht eine Urversion der neuen Idee. So ist es möglich, Funktionen sehr früh und extrem kostengünstig im Entwicklungsprozess zu testen.
Leider sind diese Prototypen meistens wesentlich weniger spektakulär, als man das von einem echten Monster Frankenstein erwarten könnte. Gar nicht so gruselig.
Hey vielen dank für diese interessante und informative Kolumne.
Der Casio VL-1 war mein erster Synthesizer und er hat bei mir damals im jungen alter von 11 Jahren den tiefen Wunsch eingepflanzt Musiker werden zu wollen.
Hach, wieder einmal ein richtig schöner Artikel aus dem Inneren der Klangerzeuger. Ich freue mich schon auf weitere Teile.
Kleine schüchterne Korrektur: »ARM« ist keine japanische Firma sondern eine britische und heißt eigentlich »ARM Limited«. Die ist aus der Firma »Acorn« hervor gegangen, die Ende der 80er den ersten Desktop-RISC-Computer »Archimedes« gebaut hat (sah fast aus wie ein »Amiga«). Noch früher, Anfang der 80er, haben sie den »BBC Micro« gebaut, der in England mega verbreitet war, hier in Deutschland aber eher ein Nieschendasein hatte.
Und wenn ich noch ein klein wenig Klugscheißen darf (ist nicht böse gemeint): »RISC-Prozessoren« haben keinesfalls deswegen einen reduzierten Befehlssatz, weil sie auf spezielle Anwendungen zugeschnitten sind. RISC-Prozessoren sind genau so wie CISC-CPUs universelle Prozessoren. Stattdessen hat (ich meine es war) IBM bereits in den 60er auf ihren großen Mainframe-Computern nach Analyse von Code bemerkt, dass deren mächtige Befehle so gut wie gar nicht von den Programmierern benutzt wurden, diese aber extrem viel Schaltkreise benötigten. Das ließ die Idee aufkeimen, mächtige Befehle gar nicht direkt sondern mit Hilfe von primitiven technisch einfach umzusetzenden Befehlen zu emuliert … und das Ganze wurden dadurch sogar schneller.
@Flowwater Eigentümer von ARM ist die japanische Softbank.Noch, momentan verhandelt man wohl mit NVIDIA über einen Verkauf von ARM.
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Acorn hatte damals eigentlich nur das Problem der Verbreitung. Das RISC OS hatte schon und hat seine Vorteile. Man konnte nach dem Bootvorgang das Medium auswerfen und es lief weiter. Bis der Strom weg ist. Einfache Ansprache von Peripherie. Die Programmierung ist wirklich simpel und trotzdem mächtig. ARM Prozessoren erlauben prinzipiell energieeffiziente Echtzeicht Anwendungen. Ich hab jetzt mit denen noch keinen Synth entwickelt aber Positionstracker und physikalische Messgrössenerfassung im Scheckkarten Format sind kein Thema. Stichwort M2M Kommunikation.
@TobyB > Eigentümer von ARM ist die japanische Softbank.Noch, momentan verhandelt man wohl mit NVIDIA über einen Verkauf von ARM. […]
Firmensitz von »ARM Ltd.« ist Cambridge. Das Telekommunikationsunternehmen »SoftBank« ist Investment-Geber aber nicht tonangebend an der Entwicklung der ARM-Chips. Selbstverständlich nutzen sie selber die Technologie (deswegen der Kauf der Firma). Eine Formulierung wie »japanische Firma ARM« lässt vermuten, dass das eine japanische Entwicklung ist, was es eben genau nicht ist.
@Flowwater Hallo Henrik, geografisch hast du Recht. Handelsrechtlich siehts etwas anders aus, in Cherry Hinton ist nur die Werkbank für F&E. Die strategischen Entscheidungen werden bei Softbank in Japan getroffen. Man darf sich vom Namen Softbank nicht verwirren lassen, das ist keine Bank, sondern eine Aktiengesellschaft im Telekommunikationsumfeld. Zwar ist die Softbank als Holding organisiert. Aber Softbank ist alles andere als ein stiller Investor. Die Fertigung von ARM wird nun teilweise bei TSMC oder in Lizenz bei anderen Fernost Herstllern gemacht. Ich wäre dann für globale Firma.
@TobyB Cherry Hinton
klingt nach verzogener Hotelerbin und It-Girl, oder durch die Marmelade gezogene Ex-Präsidentschaftskandidatin aus den USA, ggf. nach Erotikdarstellerin.
Interessanter Name für ’ne Vorstadt.
Die Belagerer von Cambridge nahmen Cherry Hinton von hinten.
Du assoziierst aber heftig ;) Ich fand und finde Cambridgeshire ziemlich langweilig, nur noch getoppt von Cotsworld. Ich pass da mit meinem Brummie getränkten Slang auch nicht hin. Kann aber auch sein das es an meinen acht Loch Doc Martens liegt, ohne Stahlkappe. Das Tragen ebendieser ist in bestimmten englischen Kreisen nachwievor ein Sakrileg. Als ob man sich in Cherry Hilton verlaufen hätte ;) Da häng ich doch irgendwann lieber im Aston Triangle in Birmingham ab, da fall ich in Brumm bestimmt nicht auf ;)
@TobyB Zu Cotswold assoziiere ich mal lieber nix. Ein K vorne, ein Z mittig und es wird magenunfreundlich in der Imagination. Da wird es einem beim Triangle, rein assoziativ betrachtet, schon wohliger.
@TobyB Hallo Toby, mir ging es wirklich nur darum festzuhalten, dass der ARM-Prozessor keine originäre japanische sondern eine britische Entwicklung ist. Deswegen habe ich bei der Begrifflichkeit »japanische Firma« heftig zusammen gezuckt. Aber wirtschaftlich gesehen stimmt es natürlich.
Mit Blick auf die wachsende Bedeutung von ARM in der IT wäre es für Nvidia meiner Meinung nach sogar superspannend, wenn sie »ARM Ltd.« aufkaufen würden. Spannend dabei auch, dass keine europäische Firma auf diese Idee kommt.
@Flowwater Interessantes Feedback. Vielen dank für die Einblicke die die Geschichte von ARM, da hatte ich wohl noch ein paar Wissenlücken.
@Erik Steckmann Man sollte nicht vergessen, wie „ARM Ltd“ überhaupt entstand: Apple, damals ohne Steve Jobs, suchte nach einem Prozessor für den in der Entwicklung befindlichen Newton, und machte Acorn den Vorschlag, die Prozessorsparte in eine eigene Firma auszulagern, an der sie sich beteiligen würden. Der Hintergrund: Apple wollte keine Prozessoren von einem Desktop-Konkurrenten kaufen. Meines Wissens hat Apple auch heute noch Anteile an ARM Ltd., ob es noch 40% wie bei Gründung sind, mag ich aktuell nicht sagen, das kann man aber sicher irgendwo nachlesen :)
@microbug Acorn musste die Prozessorsparte auslagern, die haben sich leider mit ihren Archimedes und RISC OS verhoben, was ich schade finde. Von 1985 bis 1998 war Olivietti der Hauptanteilseigner bei Acorn. Die wussten damit nichts anzufangen, weil die dachten Schreibmaschinen würden sich ewig verkaufen. Also hat man 1989 die Prozessorsparte ARM ausgelagert. Ollietti brauchte Kohle. Also hat man Apple 43 Prozent der Anteile angedient. Der Newton war ein wichtiger Meilenstein. Die Handschriften-Erkennnung war genial.
@Erik Steckmann Ich empfehle zum Einstieg, dass BBC Dokudrama Micro Men. Mit einem Cameo Auftritt von Sophie Wilson.
@Flowwater Hallo Henrik,
viele Firmen (nicht nur europäische) haben eigene Prozessoren (und Entwicklungsteams) für spezialisierte Anwendungen, die nach wie vor ihre Berechtigung haben. Beispiel sicherheitsrelevante Echtzeitanwendungen im Automotive-Sektor. Tendentiell sind die ARM Macros so eher Konkurrenz als Ergänzung. Es ist also eine Frage der Geschäftsstrategie und Finanzkraft ob dann zusätzlich eine „allgemeine“ Prozessorsparte übernommen werden kann.
Bei NVidia scheint es mir tatsächlich eher Ergänzung bzw. Erweiterung, da deren Spezialgebiet meines Wissens ja nach wie vor Graphikanwendungen mit entsprechend speziellen Macros sind.
Es hätte aber durchaus Charme, wenn ARM als eigenständige Firma mit ihrem Lizenzmodell erhalten bleiben würde um dieser zunehmenden Monopolbildung entgegen zu wirken.
Grüße,
KrauTronicA
@NDA Der Markt ist da momentan eh in Bewegung. ARM hat erstmal eine rosige Zukunft vor sich, ob mit oder ohne NVIDIA. Und die sind im Verbund mit TSMC grade dabei Intel abzuhängen. Wobei der Desktopmarkt ein schrumpfender Markt ist. In Europa und Deutschland werden nach wie vor Chips und Prozessoren kontruiert und gebaut. Dresden, Jena, München. Zum anderen sind die deutschen Maschinenbauer mit EUV und EUV-Lithografie-Anlage in der Welt ganz weit vorne. Ich möchte meinen, ohne die geht bei Samsung und TMSC nichts. Ich hab selber in der Lehre bei Zeiss solche Kisten gebaut. Und den technologischen Vorsprung den man in hier hat, kann man schlecht einholen.
@Flowwater Es findet ja nachwievor F&E sowie Produktion von Chips, Prozessoren in Europa statt. Nur hat man sich mehr oder minder spezialisiert und die ganze Geschichte arbeitsteilig gemacht. Zum anderen gab es schon vor Covid den Trend und das Betreben, Logistikketten zu verkürzen und die Produktion in der EU von sowas zu erhöhen. Das funktioniert nur nicht von Heute auf Morgen. Wenn ich mal dem Wirtschaftministerium kommt jeder zweite Halbleiter in Europa aus Deutschland.
Schönes Ding Erik!
@TobyB Frei nach Yazoo. Updates at Erik’s.
Hallo Erik,
sehr schöne Serie, die Deinem Anspruch im Vorwort „Einfach und anschaulich in der Sprache der Benutzer erklärt“ voll gerecht wird. So kommt dann vielleicht eher Interesse an weiteren Details auf.
Ich halte das auch in einem technischen Umfeld bzw. generell für durchaus sinnvoll und angebracht. Leider erlebe ich selbst viel zu oft, daß Vortragende in ihrer eigenen Gedankenwelt gefangen sind und gleiches Detailwissen bei all ihren Zuhörern voraussetzen. Das ist in der heutigen Welt mit ihrer Arbeitsteilung und oft komplexen Zusammenhängen aber nicht gegeben.
Anschauliche Beispiele zum Einstieg in ein komplexes Thema können dagegen helfen, Leute auf die Reise mitzunehmen und sie dafür im Idealfall zu begeistern.
In diesem Sinne: weiter so, freue mich also auf Deine nächsten Artikel!
Grüße,
KrauTronicA
Als kleine Ergänzung worin sich FPGA und Prozessoren nach meinem Verständnis voneinander unterscheiden eine einfache Betrachtung am Beispiel Modular-Synthesizer.
Im FPGA werden die Module ebenfalls als einzelne (Logik-) Schaltungen realisiert. Allerdings können die Schaltungen vom Anwender erzeugt werden. Die einzelnen Module werden im FPGA wie bei einem Synthesizer direkt „verkabelt“. Bei Polyphonie hängt die Anzahl der Module im FPGA so ebenfalls direkt mit der Stimmenzahl zusammen.
Vorteile: jedes Modul übernimmt nur eine ganz spezielle Funktion (z.B. DCO), und der zeitliche (!) Signalfluß ergibt sich direkt aus der Hardware–„Verdrahtung“ ohne (!) weiteren Rechenaufwand.
Das ist genau der Unterschied zu Prozessoren. Alle Berechnungen laufen dort in der CPU, also keine realen (Synthesizer) „Einzelmodule“. Daher muß die CPU zusätzlich die ganzen Ergebnisse erst wieder so zusammenführen, daß dabei der gleiche „Echtzeit“–Signalfluß entsteht – und dabei gleichzeitig immer neue Eingaben wie z.B. Drehen am Filter cut-off berücksichtigen. Das bedeutet deutlich erhöhten Programmieraufwand (und Fehlerquellen) sowie höhere Auslastung des Prozessors.
Welche Lösung jetzt gewählt wird, hängt von weiteren Randbedingungen ab. Kommt z.B: ein Touchscreen mit ins Spiel, bringt ein Prozessor das entsprechende Rechenmodul von Haus aus mit.
@NDA Der Unterschied ist so nicht gegeben, da ein FPGA eine komplette CPU nachbilden kann. Schau Dir mal das „MiST“-Board an, das ist ein FPGA basiertes Board, aus dem man per Software entweder einen Atari ST, Amiga oder alle Möglichen Anderen aus den 80ern machen kann, bei voller kompatibilität (beim Atari ST fehlt nur der ROM-Port, das wird aber wohl in der nächsten Version mit größerem FPGA „MiSTer“ drin sein), es laufen die Original BS und Software wie Cubase Lite drauf.
https://github.com/MiSTer-devel/Main_MiSTer/wiki
@microbug Hallo microbug,
das mit dem „komplette CPU nachbilden kann“ ist richtig; und FPGAs werden ja bei Neuentwicklungen von CPUs zur Emulation selbiger verwendet.
Frage ist hier aber, ob bei Synthesizern ein FPGA überhaupt oder ggfs. welche Teile oder Funktionen einer CPU dann in welchem Umfang nachbilden muß. Ein Novation Peak oder Summit braucht z.B. kein HDMI-Codec für das Dot-Matrix Display.
Ich sehe den Vorteil eines FPGAs eher darin, daß besonders sensible Funktionen eben direkt als Hardware-Schaltung realisiert werden können (und nicht als Berechnung einer Software auf einer general-purpose Prozessoreinheit).
Grüße,
KrauTronicA
@NDA Ich war da wohl nicht deutlich genug. Der Unterschied ziwschen einem FPGA und einer CPU ist, daß eine CPU aus Modulen mit fest verdrahteten Logikgattern bzw Funktionseinheiten besteht, während ein FPGA völlig frei programmierbar ist, nur durch die Anzahl der Zellen begrenzt. Ein FPGA ist erstmal komplett leer wie ein Flashspeicher, von daher gibts auch keine fertigen Module, sondern die kann man entweder selbst entwerfen oder frei verfügbare Cores laden und anpassen. Der Vorteil eines FPGA ist, daß es sich um Hardware handelt, und dadurch deutlich höhere Taktraten möglich sind als bei einem DSP, der auch nur ein spezialisierter Prozessor ist. Viele aktuelle FPGAs haben übrigens 1 bis mehrere ARM-Kerne drin, was zusätzliche Flexibilität verspricht und man keinen CPU-Core oder eine CPU zusätzlich braucht. Der Valkyrie aka Kyra nutzt das genau so, da steckt ein Zync 7020 drin, der 2 ARM-Cores besitzt.
Schöner Bericht, danke dafür. Bei den ARM-Herstellern sind aber die Genannten nicht die größten Hersteller, sondern eher Intel und STMicro. Der Anteil der 8031-Derivate in Musikelektronik ist allerdings nach wie vor noch recht hoch, einfach weil sich dafür Entwickler an „jeder Ecke“ finden.
Was man aber leider auch heute noch erwähnen muß: Die Leistung der Prozessoren mag noch so gut sein, wird sie doch immer noch zu oft durch mies programmierte Firmware Zunichte gemacht. Bestes Beispiel dafür ist zB der Yamaha MOXF, der bei Setzen eines Favoriten eine komplette Denkpause einlegt und für das Beladen des optionalen 512MB Flashroms eine geschlagene Stunde braucht. Da könnte man aber noch unzählige weitere Beispiele nennen, sowohl aktuell als auch aus der Vergangenheit.
So ein Yamaha DX7 war damals auch nur möglich, weil Yamaha dafür spezialisierte Customchips, einer davon extra für die Hüllkurven, baute, denn die damaligen 6803-Abkömmlinge waren dafür zu schwach. Das mit den Customchips wäre heutzutage eigentlich auch dank FPGAs heute auch nimmer nötig, einige Hersteller halten daran aber nach wie vor fest – und ich rede jetzt nicht von einfachen Gatearrays wie Rolands SSC-1000 für die Tastaturabfrage. Ich hätte ja gerne mal den diskreten Probeaufbau für den D-50 gesehen, muß ein wahres TTL-Grab gewesen sein …
@microbug Genau dazu gab es mal einen Artikel in der Keyboards (sowas wie Amazona auf buntbedruckten Papier) Anfang der 90er.
Mit Fotos vom D-50 als „Frankenstein“. (mehrere Riesenplatinen miteinander verkoppelt).
Eine tolle Übersicht zur Entwicklung unter der Haube digitaler Synthesizer. So etwas versüsst selbst das schönste Sommerwochenende. Danke!
Wenn eine kleine Korrektur erlaubt ist, Du schreibst es ja selbst, die ersten digitalen Synthesizer basierten bis auf einzelne Ausnahmen auf offenen, programmierbaren Computersystemen mit Ram und Rom, denen eine Synthesehardware hinzugefügt wurde.
Quasar (Fairlight), NED Able (Synclavier), Alles Machine (GDS, Synergy), Yamaha FM Prototyp (DX…), etc.
Zusammenfassend kann man sagen, die Umsetzung in geschlossene Systeme mit fester Synthesearchitektur folgte um die Digitalsynthese einer breiteren Käuferschicht zugänglich zu machen so wurden dann Preis, Systemkomplexität, Größe und Gewicht reduziert.
Die ersten in Serie hergestellten Digitalsynthesizer (per Klangerzeugung):
– RMI Harmonic Synthesizer (1974, Klangerzeugung noch hybrid)
– Synclavier 1 (1977, erster volldigitaler, speicherbarer Synthesizer)
– PPG Wavecomputer 360 (1979)
– Fairlight CMI (1979)
– Crumar GDS (1979)
– ConBrio ADS100 (1979)
– Yamaha VL-1 (1979)
Hmm, wieviel ein Yamaha VL-1 1979 gekostet hätte? Der war ja 1994 schon sauteuer. ;-)
:))) Wo Du recht hast… es muss natürlich Casio VL-1 heissen. Sorry. Der Yamaha VL-1 wäre ohne Zweifel ’79 eingeschlagen wie eine (teure) Bombe…
Hallo Psv-ddv, nicht zu vergessen die ganzen Kisten mit Z80 und Derivaten, wie die TR808 und Co. Ebenso findet man den 6803 in Hardware Kisten der 80er. Ne olle D Fuffzich wird auch „nur“ getrieben von einem 78312. Was ein 16 bit Prozessor ist. Damit zieht man zwar kein Schnitzel mehr vom Teller. Macht aber deutlich, welchen Weg die Musikelektronik gegangen ist. Momentan finde ich sehr spannend das VST SDK 3.7 kann unterstützt ARM. Steinberg/Yamaha hatte ja auf der SB19 einen durchaus überzeugenden Prototypen am Start. Bei Juce geht man ähnliche Wege. Technologisch dürfte hier in der Rolandküche das dickste Wasser gekocht werden. Die Frage für die Zukunft ist, ob wir eher offne Systeme haben oder aber mehr oder minder geschlossene, mit schneller werdender Obsoleszenz.
Der Waldorf KYRIA (vormals EXODUS VALKYRIE von Manuel Caballero) besitzt auch einen komplett programmierbaren FPGA. Und ich habe auch was läuten höhren, das Behringer auf Basis eines FPGAs einen PPG Wave Clone bauen will.
@Wasserspeier Da steckt ein Zync 7020 drin, der zusätzlich über 2 ARM-Cores verfügt.
Mir gefallen solche Beiträge, Erik. Mal was anderes als: wie sehr unterscheidet sich Clone A von Original B. Und höre ich einen Unterschied? Ja, Prozessoren sind wichtig in Synths. Es gibt reihenweise Beispiele, wo an deren Leistung so gespart wurde, dass man das hört.
Gut geschrieben!
Wow sehr schöner Artikel werde die anderen ebenso aufsaugen.