Catégorie : 4X

Voici des extraits d’un article très intéressant de Claude Fatus sur La Station d’informatique musicale de l’Ircam. Évidemment cet article date de l’époque (Résonance nº 4, de juin 1993) :

Depuis sa création, l’Ircam mène une politique de développement d’outils technologiques adaptés aux besoins des chercheurs et des compositeurs. Après la 4X, qui compta parmi les premières plate-formes temps réel, les ingénieurs de l’Institut ont conçu et réalisé une machine de nouvelle génération : la Station d’informatique musicale.

Présentation de la machine.

Pour nombre de compositeurs, il paraît difficile d’édifier aujourd’hui une pensée musicale conséquente sans passer par l’utilisation des techniques numériques. Pour un compositeur habitué à travailler dans un studio électroacoustique traditionnel, une station d’informatique musicale offre un environnement sans égal. Parmi les solutions actuellement disponibles, la Station d’informatique musicale de l’Ircam (ou Sim) occupe une place de choix. D’abord parce qu’elle unifie des fonctions jusqu’alors réparties entre des dispositifs distincts : synthèse, traitement des sons, synchronisation des événements musicaux et contrôle en temps réel des instruments analogiques. Reflet d’un souhait exprimé dès le lancement du projet, en 1989, cette réunion fait de la Sim un véritable ordinateur  » de concert  » opérant en temps réel.

L’environnement technologique

Matériellement, la Sim, intégrée à l’architecture de l’ordinateur NeXT, est conçue de façon modulaire autour de trois cartes électroniques spécialisées, nommées ISPW (Ircam Signal Processing Workstation). Chacune de ces cartes comprend deux microprocesseurs Intel i860 d’architecture Risc (Reduced Instruction Set Computer), capables d’exécuter ensemble jusqu’à 200 millions d’opérations par seconde (soit une capacité de gestion de 100 oscillateurs simples ou de 100 filtres récursifs à un taux d’échantillonnage de 44.1 Khz, qui est celui du disque compact) et une large zone de mémoire permettant de stocker un grand nombre d’échantillons de sons. Cette réduction du nombre des microprocesseurs s’est révélée capitale, puisqu’elle a permis aux concepteurs de la Sim d’unifier la synthèse et le contrôle en temps réel, ce qui représente un progrès notable par rapport à la 4X. L’exploitation d’un seul microprocesseur assurant à lui seul ces opérations sous Unix est prévu pour l’horizon 2000.

Pour offrir un nombre satisfaisant d’entrées et de sorties de sons analogiques et numériques, une petite carte (Piggy board) s’est greffée sur la carte principale : 8 lignes AES/EBU (standard des lignes audionumériques), dont 4 peuvent être analogiques, sont ainsi disponibles. Ces lignes servent de liaison entre les différentes machines numériques pour l’enregistrement ou la transmission. Multipliées par le nombre de cartes, ce sont donc 24 entrées audio qui sont disponibles pour le traitement des instruments acoustiques.

Des connections en réseau local ou public permettent en outre aux 60 Sim d’ores et déjà utilisées dans plusieurs conservatoires et centres de recherche et de création du monde entier (en Espagne, Suède, Finlande, Allemagne et Belgique, mais aussi au Japon, aux U.S.A., au Canada, au Brésil et en Australie) de partager leurs ressources. Cette communication, rendue possible grâce à la commercialisation de la Sim assurée par la société américaine Ariel, se révèle de première importance, car elle garantit une stabilité appréciable des méthodes de production et favorise la constitution d’un véritable répertoire musical.

On apprend dans le paragraphe précédent, qu’il a été fabriqué 60 Sim. On sait également que l’article est de 1993 et comme la dernière production des cartes M860 et Piggy est de 1992. Maintenant, sachant que chaque Sim ne pouvait pas être équipées a la fois de 3 cartes M860 (électriquement trop gourmandes pour une seule alimentation d’un cube NeXT) d’un lecteur magnéto-optique et d’un disque dur (également gros consommateur électrique), on peut donc supposer que moins de 100 cartes ISPW on été fabriquées…
J’en possède six… dont trois dans un NeXT cube modifié pour soulager son alimentation électrique.

Les outils de création

Mais l’enjeu principal de la Sim est son environnement logiciel, conçu pour être porté sur plusieurs générations de matériel. Actuellement, les logiciels pratiqués par les compositeurs sont Max (ainsi intitulé en hommage à Max Mathews, pionnier de l’informatique musicale), l’exécutif FTS (Faster Than Sound) et l’éditeur de sons. Conçu initialement pour le MacIntosh et disponible aujourd’hui sur NeXT, Max, écrit en langage C, permet la programmation graphique des algorithmes de synthèse, de traitement et de contrôle exécutés en temps réel par FTS. L’algorithme de synthèse est défini par un  » patch « , comme une collection de boîtes reliées entre elles par des lignes. Ainsi miniaturisée et interactive à l’écran, cette écriture décrit un câblage virtuel entre les différents opérateurs spécialisés dans le traitement du signal sonore (filtre, transformée de Fourier rapide, retard, oscillateur, table d’onde, vocoder, réverbération, générateur et suiveur d’enveloppe, etc.). Ces opérateurs sont mis à la disposition du musicien dans une bibliothèque qui contient également les principales techniques de synthèses actuellement utilisées (modulation de fréquence, synthèse formantique, additive, etc.). Indépendamment de la synthèse, le contrôle des entrées permet de jouer sur la hauteur, la durée, le timbre ou tout autre paramètre du son. De son côté, l’éditeur permet de manipuler les sons grâce à une représentation graphique des sons à la fois au niveau spectral (amplitudes et fréquences) et temporel (hauteurs et temps). Tout son est en outre directement enregistrable sur disque sous forme numérique.

Lire l’article complet ici

Il y a un très bon article de Eric Lindemann, Michel Starkier, François Dechelle nettement plus technique sur les cartes ISPW : The IRCAM Musical Workstation: Hardware Overview and Signal Processing Features

A la suite d’une demande du compositeur Luciano BERIO, qui souhaitait disposer de « mille oscillateurs numériques en temps réel » pour synthétiser des sons complexes, le physicien Giuseppe DI GIUGNO développa à l’IRCAM , à partir de 1975, plusieurs versions successives de processeurs numériques: 4A, 4B, 4C, pour aboutir en 1981, au très performant processeur 4X (200 Mops).

Ce processeur permettait aussi bien l’analyse que la synthèse en temps réel de signaux sonores (à la norme audio professionnelle ; 16 bits et 20KHz de bande passante).

Pouvant être reconfiguré par logiciel, il permettait la mise en oeuvre de toutes les techniques connues de synthèse et d’un grand nombre de techniques d’analyse du signal.

L’IRCAM a disposé jusqu’au début des années 90, de 4 stations de travail musical 4X, comportant chacune :

• un calculateur de développement UNIX,
• un calculateur temps réel muni de périphériques de contrôle,
• un processeur 4X et son système de convertisseurs numériques/analogiques et analogiques/numériques.

Le système 4X a été utilisé tout au long de son histoire par plusieurs compositeurs dont Pierre BOULEZ qui en fit la première application dans Répons et aussi Clarence BARLOW, Marc BATTIER, François BAYLE, George BENJAMIN, Denis COHEN, Thierry LANCINO, Cort LIPPE, Tod MACHOVER, Philippe MANOURY, Tristan MURAIL, Ichiro NODAIRA, Emmanuel NUNES, Robert ROWE et Karlheinz STOCKHAUSEN.

Brève description du processeur 4X :
Ce système pouvait comporter jusqu’à 8 plaques universelles de traitement du signal « 4U », une carte de contrôle, ainsi qu’une interface avec le calculateur hôte (calculateur temps-réel).

Chaque 4U était programmable individuellement, notamment pour la fréquence d’échantillonnage. Une 4U travaillait en arithmétique virgule fixe sur 16 bits selon des cycles de 60ns et comprenait :

• une unité logique et arithmétique (ALU en anglais),
• un multiplieur MUL,
• ume mémoire de fonction FUN de 64 Kmots de 16 bits,
• une mémoire de données DM 1 Kmots de 24 bits,
• une mémoire d’adresses MA sur 10 bits,
• une mémoire de microcode MMP de 1 Kmots de 48 bits.

La carte de contrôle contenait :

• 256 horloges programmables, capables de déclencher des interruptions sur le calculateur hôte,
• une double mémoire tampon permettant l’enregistrement et la reproduction simultanée de signaux sur le disque dur de l’hôte,
• un arbitrage du bus interne de la 4X,
• la gestion des entrées/sorties.

Un assembleur-optimiseur et un compilateur avaient été développés à l’IRCAM. La programmation se faisait normalement, le parallèlisme n’apparaissant nullement dans le langage et l ‘assembleur pouvait travailler en mode compilé ou interprété.

Ce petit historique du projet 4X vient d’une note d’Olivier Koechlin.

Par la suite, j’ai récupéré un ancien texte (~1981) de Marc Battier où il décrit le fonctionnement des 4n (A, B, C et X) :

Les machines 4A, 4B, 4C, 4X

Des projets où les oscillateurs se comptent par centaines ont été réalisés (machine 4A de Giuseppe Di Giugno, comprenant 256 oscillateurs en temps réel), ou très récemment comme la machine 4X, offrant la faculté de traiter des signaux extérieurs, et capable d’être configurée en banc d’oscillateurs ou de modules quelconques. L’idée qui a d’abord conduit au développement de la machine 4A a été de fournir au musicien la possibilité d’activer et de commander une masse de fréquences simultanées, mais indépendantes, non reliées entre elles par des contraintes de rapports de hauteurs et d’amplitudes fixes. Il s’agit d’un dispositif de synthèse additive, développé autour du multiplexage d’un système numérique de synthèse. Le synthétiseur est piloté par un ordinateur-hôte, un Dec PDP 11. Le nombre virtuel d’oscillateurs dépend de la fréquence d’échantillonnage choisie [Di Giugno, n.d.].

4A

nombre d’oscillateurs	fréquence d’échantillonnage	amplitude
16	256kHz	1024

Une table d’onde, choisie parmi un ensemble conservé sur disque, est chargée dans le synthétiseur en quelques millisecondes. Cette opération peut se réaliser en cours de jeu. Le logiciel de pilotage du synthétiseur a été écrit par DiGiugno, et consiste en un ensemble de courtes routines, réunies dans le programme pepmus. A l’aide d’un code que l’utilisateur entre au clavier alphanumérique du terminal, un Goto calculé permet d’accéder au bloc de commande choisi. Après évaluation des données, le programme envoie ses ordres à un logiciel spécialement chargé du dialogue avec le synthétiseur, 4ASYS, écrit en macro-assembleur pour l’efficacité de la communication. En ce sens, Pepmus serait un programme d’utilisation, et 4ASYS un programme de commande. Le programme utilisateur se borne à passer à 4ASYS les indications du numéro d’oscillateur à modifier, et ses nouvelles valeurs, dans un code interne : la fréquence, l’amplitude et la phase. La structure de Pepmus en blocs indépendants ressemble à un ensemble de sous-programmes : les musiciens peuvent augmenter la bibliothèque commune en y incorporant leurs propres algorithmes. Cette architecture a été choisie afin d’économiser le temps que prend un appel et un retour de sous-programme.
Le musicien qui veut utiliser ses propres procédures a alors le choix d’écrire une sous-routine que Pepmus peut appeler en échange d’un code qu’il faut déterminer dans le Goto calculé ou dans un test sur des valeurs d’entrées, ou bien de placer son bloc d’instructions dans le corps du programme. Nous donnons ici l’exemple d’un tel processus, réalisé pour une brève structure de la pièce récente de York Höller, Resonance. Il s’agit du glissando descendant d’un accord de quatre notes, dont les bornes sont déterminées.
La structure doit durer 35 secondes, après quoi l’état final atteint par le mouvement de l’accord doit rester fixe pendant 1 minute. Cette dernière spécification ne pose aucune difficulté : Le synthétiseur ne s’interrompt que si l’on lui en donne l’ordre, sinon les valeurs des registres de fréquence et d’amplitude sont lus en permanence. Nous avons écrit, avec Jean Holleville, un bloc d’instructions capable de faire varier une fréquence sur un temps déterminé, grâce à une procédure d’interruption écrite par Jean Kott. L’interruption est engendrée par une horloge à fréquence fixe.

Une limite du système vient de la table d’onde.
Celle-ci est d’une longueur de 2k-mots, et le synthétiseur y prélève des échantillons sans effectuer d’interpolation, comme dans la plupart des systèmes temps réel. Cette dimension s’avère trop courte et provoque un bruit de quantification important. Les machines qui lui ont succédé ont en partie remédié à ce problème.

A la suite du synthétiseur 4A fut entreprise une recherche sur un système qui serait plus souple, en offrant le moyen de programmer les ressources de la machine [Alles, DiGiugno 1977]. La machine 4B est attachée à un processeur hôte LSI-11, qui la pilote en lui communicant les valeurs de ses registres. Elle offre 64 oscillateurs, contrôlables séparément, bien qu’il s’agisse là aussi d’un multiplexage, avec une discrimination de fréquence de l’ordre de 0,002 Hz. Les oscillateurs sont modulés en amplitude et en fréquence par des générateurs de rampe, et la fréquence d’échantillonnage est de 32 kHz. Le dispositif offre la possibilité de réaliser des interconnexions entre les oscillateurs, au moyen de 15 registres. La machine a été suffisamment achevée pour permettre à des logiciels d’utilisation de naître, tel que celui que le compositeur Neil Rolnick et Philippe Prevot ont mis au point, le langage SYN4B [Rolnick 1978]. Il permet un jeu interactif en temps réel à partir de périphériques, tels qu’un banc de 4B potentiomètres linéaires, un potentiomètre en X-Y, et une pédale. [Lawson, Mathews 1977] ont consacré un article à la discussion des possibilités musicales simples d’un tel système, et à l’implémentation des modèles de synthèse de J.-C. Risset (synthèse additive) et de J. Chowning (modulation de fréquence). La première méthode offrirait dans ce contexte 4 voix indépendantes, se composant chacune de 16 partiels indépendants, tandis que la seconde pourrait combiner 32 voix de modulation de fréquence. Toutefois, cette conclusion est discutée par [Rolnick 1978, 18]. Cet auteur montre en effet que le moyen le plus rapide d’effectuer des opérations arithmétiques telles que les mises à l’échelle des données d’enveloppe ou de périphériques d’entrées, est de les réaliser dans le synthétiseur même, au moyen des oscillateurs employés comme des multiplicateurs câblés. Cela conduit à réduire considérablement les ressources de la synthèse, et les voix de FM, au sein de ce contexte, se réduisent alors à 8.

Le développement de la machine 4C a été mené à l’Ircam par Giuseppe di Giugno, à la suite du travail sur le modèle expérimental 4B. Les programmes de commande du synthétiseur sont aujourd’hui développés. Il s’agit précisément de livrer aux compositeurs des programmes qui, bien qu’en état de fonctionnement, demandent à être confrontés à des situations en vraie grandeur. Il est clair que la mise en chantier de projets musicaux a pour effet d’enrichir ces programmes qui, pour la plupart, ont été écrits par des programmeurs ayant de sérieuses notions musicales personnelles, et une bonne intuition des désirs et des souhaits des compositeurs.

Les synthétiseurs numériques offrent des moyens d’interagir avec leur fonctionnement, dans le temps même où se déroule la synthèse des sons. Il s’agira, par exemple, de périphériques analogiques, tels que des potentiomètres, ou des bancs de potentiomètres, des commutateurs, un clavier de type piano, ou encore le clavier du terminal, dont les touches enfoncées seront décodées dans le programme et bien entendu des sources provenant d’autres machines analogiques, tels que des démodulateurs d’enveloppes ou d’amplitude, ou tout simplement des microphones et des filtres. Il existe aussi des périphériques numériques pouvant servir à de telles commandes, tels qu’un écran graphique muni d’un crayon lumineux (Light pen), ou une tablette graphique (bit pad). Les informations recueillies sur ces périphériques demandent à être traitées au fur et à mesure de leur saisie. L’un des problèmes soulevés par l’emploi des synthétiseurs numériques en temps réel est que leur accès est réservé à un seul musicien à la fois. Le système d’opération est choisi de telle manière qu’il assure dans les meilleures conditions un dialogue continu et instantané avec le synthétiseur. C’est donc un système d’opération orienté vers les tâches temps réel qui est nécessaire. Par ailleurs, l’interaction qu’on vient d’évoquer, et qui se passe en temps réel, demande bien entendu que pendant la durée de l’échange le système d’opération soit en dialogue avec cette seule tache, c’est-à-dire avec un seul utilisateur. C’est ce qui explique le choix du système RT-11 pour les ordinateurs Dec PDP-11, commandant les 4C, et celui de Unix pour les systèmes les plus récents. Cependant, une large proportion du temps qu’un musicien passe aux cotés d’une machine de ce type est consacré à l’écriture, l’implémentation et le test des programmes de pilotage.
L’évaluation avec le synthétiseur ne prend que peu de temps, et conduit dans les étapes de développement logiciel à revenir au programme, afin d’apporter les corrections. Cette situation a conduit l’équipe de l’université de Stanford a connecter le synthétiseur de Peter Samson comme périphérique d’un système multi-utilisateur. Plusieurs musiciens peuvent travailler simultanément sur la mise au point des programmes de synthèse. C’est seulement une fois compilées que les commandes sont passées à la machine Sambox, qui effectue alors la synthèse en temps réel [Samson 1980]. Ce mode de pilotage interdit pour l’instant l’interaction pendant l’exécution. Le système du SSSP de l’université de Toronto a déjà été mentionné plus haut.
Une équipe de compositeurs et de techniciens a mis au point un système, non seulement de synthèse de sons, mais aussi d’écriture et de modification de partitions. Ce système abondamment décrit [Buxton 1976], met en scène un logiciel compositionnel, destiné à un ordinateur Dec PDP-11, sous le système d’opération Unix, écrit en langage C, qui semble offrir bien des avantages aux musiciens [Abbott 1978], et une configuration de périphériques associant différents modules d’entrée à un synthétiseur numérique.
Là, le système a été pensé pour donner aux musiciens un instrument dont l’accès est orienté vers un type de dialogue dans lequel la machine propose des réponses à leurs sollicitations. La distinction entre les dispositifs et la tache compositionnelle est soigneusement établie. Le musicien doit savoir poser convenablement ses problèmes musicaux, et non tenter de répondre aux contraintes de la machine. Ce sera à elle d’évaluer les propositions du musicien selon sa propre configuration.

Qui dit 4X dit… Matrix 32.

Le système « MATRIX 32 » développé à l’IRCAM dans les années 83-85, par Didier RONCIN et Michel STARKIER, avait pour objectif initial de remplacer le « Hallophone », système allemand utilisé lors des premières executions de Répons de Pierre BOULEZ.

Toutefois, il s’est avéré, de par sa souplesse d’emploi et sa versatilité, qu’ il était à même de résoudre la quasi totalité des problèmes de brassage audio, statique ou dynamique.

« MATRIX32 » était un système analogique commandé numériquement à partir d’un pupitre à base de micro-calculateur VME, ou par un ordinateur via une ligne série. Par la suite, une liaison MIDI a été ajoutée, pour piloter le système.

Deux types de brassage étaient utilisables séparément ou conjointement :

• par commutation à gain programmable de 0 à 100dB par pas de 0,4dB gr‚ce à des modules VCA 8 entrées vers 4 sorties,
• par commutation en tout ou rien, via des modules 8 entrées vers 8 sorties, avec absence totale de bruit de commutation (en présence ou non de signaux) et possibilité de sommer plusieurs signaux d’entrée vers une sortie.

Ces modules pouvaient être associés, pour former des matrices allant jusqu’à 32 par 32 en tout ou rien, ou 32 par 16 en gain contrôlé. Un circuit de moniteur permettait l’écoute et la mesure de toutes ces entrées sorties.

Un logiciel écrit par Andrew GERZSO, offrait les fonctions suivantes :

• édition des fichiers de configuration depuis le pupitre,
• édition des fichiers de configuration conservés en mémoire secourue, sur disque dur ou sur disquette,
• édition des séquences de configuration,
• bibliothèque de fonctions courantes (rampes, sinus, cosinus, exponentielle etc. ) , pouvant être augmentée.

Deux nouveaux liens à propos de la famille 4(n) : le 1er sur le site de l’IRCAM et un l’autre sur le site du Centro di Sonologia Computazionale.

Mise au point du système 4X (1981), dernier maillon de la série des processeurs de son numériques développées et réalisées à l’Ircam depuis 1976.

L’unité de calcul.

La salle « machines » où l’on trouve les calculateurs ici des digital PDP-10 (Programmed Data Processor model 10), VAX 11/750 et VAX 11/780 (Virtual Adress eXtension). Pourquoi ces machines ?

Les 4X étaient capable de faire 200 million opérations par seconde, une 4X était composée de 8 cartes processeur, chacune d’entre elle, pouvait être programmée indépendamment des autres avec plusieurs type d’algorithme de traitement numérique. Par exemple avec la synthèse additive un son musical est constitué de la somme d’un grand nombre de signaux sinusoïdaux. Chaque carte électronique de la 4X était capable de générer 129 de ces formes d’ondes ! Chaque carte pouvait également appliquer 128 filtres différents, qui étaient applicables pour modifier le son en temps réel. Les cartes processeurs avaient leur propre mémoire pour stoker les forme d’ondes, avec une capacité représentant 4 secondes de sons.
Mais les 4X sont ce qu’on appel des calculateurs, et uniquement… Ils n’ont pas d’unité de stockage disque ou bande, etc, c’est pour cela qu’il y avait des midi-ordinateurs plus conventionnel comme les pdp et vax.

Par analogie on peut dire que par exemple dans la station musicale de l’IRCAM la 4X à été remplacée par une cartes ISPW, et que le pdp ou vax par la carte mere du NeXT Computer. Evidement les armoires de Disque dur, Bandes, etc… par l’équivalent de l’époque : Disque dur 5.25″, Magnéto-optique, et bande DAT (Digital Audio Tape).

Vous remarquerez qu’il y a deux 4X !

Salle machine

Pour les curieux d’histoire d’informatique…

Le nouveau VAX de chez digital est le successeur de la lignée PDP-11 avec laquelle il assure une relative compatibilité matérielle et logicielle. L’acronyme VAX (Virtual Adress eXtension) désigne à la fois le processeur et l’architecture générale de la machine qui est une évolution de l’architecture PDP-11.

Cette nouvelle gamme de machines 32 bits représente aussi un gros progrès au niveau de son excellent système d’exploitation, VMS, écrit par Dave Cuttler. Il s’agit d’un système multi-taches, multi-utilisateurs à mémoire virtuelle avec une très bonne gestion de la sécurité et de l’allocation des ressources disque, mémoire et processeur entre les utilisateurs. Son interface en ligne de commande, son aide en ligne et son langage de commande (DCL) très simples et conviviaux facilitent grandement l’utilisation de la machine. Le VAX 11/780 fut vendu jusqu’en 1988.

Le digital PDP-10

Le digital VAX 11/750

Et le plus moderne le VAX 11/780

Le projet de Station d’Informatique Musicale, à été initié à l’Ircam en 1989. On peut dire que cette machine, est l’évolution ultime des séries : 4A et 4B (1978), 4C (1979), à Sogitec 4X (1981) et donc la S.I.M. (1991).

A gauche le rack de la Sogitec 4, a droite le Matrix 32

Elle comprenait une nouvelle version de MAX qui rajoutait le traitement temps réel des signaux audio, traitements décrits dans le même paradigme graphique. Ce logiciel fut distribué sous le nom de MAX/ISPW, ISPW (Ircam Signal Processing Workstation) étant une autre désignation de la Station d’Informatique Musicale. MAX/ISPW était en fait constitué de deux composants : l’interface graphique utilisateur s’exécutant sous l’environnement NeXTSTEP et un exécutif temps réel nommé FTS (pour Faster Than Sound) qui fonctionnait sur les cartes ISPW basées sur le processeur Intel i860. Ainsi il est plus courant de trouver des informations sur MAX/FTS.

Ci joint une image d’un cube équipé de trois cartes ISPW (donc un total de 6 i860 et 4 m56001 !

Et un zoom sur une des cartes :

La machine au travail sous NeXTStep, en pleine analyse de spectre.