L’audio PC est-il victime de sa propre architecture ?

En novembre 2019, nous consacrions un article à une carte son EVGA, la NU Audio Pro. Il commençait par ces mots : « Les cartes son dédiées à l'informatique sont parmi les périphériques les moins présents sur le marché du hardware, les cartes son intégrées aux cartes mères étant jugées suffisantes pour la majorité des utilisateurs ».

Dans les commentaires, un certain Manus Freedom écrivait : « Sans compter comme souvent expliquer ici [comme cela est souvent expliqué ici], l'audio dédié ce n'est pas que décharger le CPU (effectivement relativement inutile de nos jours), mais surtout d'avoir soit une latence réduite (orienté jeu en général ou traitement en direct), soit une conversion DAC (Digital-to-Analog Converter, convertisseur numérique-analogique) de bonne qualité (relative à chacun et aux usages), soit les deux ».

L'EVGA NU en question.

De fait, nous n'avons pas écrit sur ce sujet depuis bien longtemps. Un éditorial publié sur TPU par btarunr revient justement sur cette thématique. Il explique pourquoi l’audio PC moderne peut encore rencontrer des difficultés malgré des composants sur le papier très performants. Son constat : de nos jours, l’enjeu n’est plus vraiment la qualité audio, mais l’architecture qui transporte les données jusqu’à nos oreilles. Le propos est à la fois technique et abondant. Il reste malgré tout assez pédagogique et captivant, même si ce n’est pas forcément l'aspect qui passionne le plus l’utilisateur lambda d’un PC. Nous allons essayer de le synthétiser sans trop le démantibuler.

La première partie de la démonstration, titrée It is Possible to Build Sound Cards with Native Signal Processing to Overcome DPC Gremlins Even Under Windows 11 (Il est possible de concevoir des cartes son avec un traitement natif du signal afin de surmonter les problèmes de latence DPC, même sous Windows 11), date de mars dernier ; elle a été complétée hier par une seconde partie intitulée Blame the Plumbing: Why Intel Handles USB Onboard Audio Codecs Better Than AMD (La faute revient à l’architecture : pourquoi Intel gère mieux les codecs audio USB intégrés que AMD).

Quand l’audio PC moderne devient son propre ennemi

L’auteur explique mener depuis plusieurs années une véritable « guerre fantôme » au sein de son système. Son adversaire n’est pas la fidélité audio. Celle-ci a largement progressé grâce aux codecs modernes de fabricants comme Realtek, capables d’afficher des rapports signal/bruit (SNR, pour Signal-to-Noise Ratio) dépassant désormais les 110 dB. Précisons que ce rapport mesure l’écart entre le signal audio utile et le bruit parasite généré par l’électronique. Il s’exprime en décibels (dB) : plus la valeur est élevée, plus le bruit de fond est faible par rapport au signal. Un SNR de 60 dB signifie que le signal est 1 000 fois supérieur au bruit en termes de rapport de puissance, tandis qu’un SNR de 100 dB porte ce rapport à 100 000 fois.

Le véritable ennemi identifié par btarunr est donc ailleurs, et le même que celui pointé par le lecteur de 2019. Il s’agit des pics de latence DPC (Deferred Procedure Call, ou appel de procédure différé). Ces derniers apparaissent lorsqu’un pilote ou un composant matériel monopolise temporairement le processeur, retardant l’exécution d’autres tâches critiques. Dans le domaine audio, ces micro-retards peuvent vider le tampon sonore avant qu’il ne soit réalimenté, provoquant les fameux crépitements, « pops » ou coupures. Selon notre confrère, ils touchent aussi bien les stations de travail audio numériques (DAW, Digital Audio Workstations) modernes que les configurations de jeu.

Cette situation est en partie liée aux évolutions récentes de l’écosystème PC. L’arrivée des processeurs hybrides avec les Core de 12e génération « Alder Lake » en 2021 a notamment ajouté une nouvelle variable. Avec leurs P-cores et leurs E-cores, les processeurs Intel modernes obligent Windows et le Thread Director à déterminer en permanence où exécuter chaque tâche. Une tâche audio considérée à tort comme secondaire peut alors être associée à un cœur moins adapté, augmentant le temps nécessaire à son traitement.

Si les processeurs Ryzen sont préservés de ce problème spécifique aux E-cores, btarunr note qu’il n’est que déplacé pour les plateformes AM4 / AM5, celles-ci étant « historiquement confrontées à la congestion de la bande passante USB et à une gestion agressive des états de veille C (C-states), deux éléments pouvant également perturber le flux continu de données isochrones nécessaire à l’audio USB ».

Dans le même temps, certains fabricants de cartes mères, notamment sur leurs modèles haut de gamme, ont progressivement délaissé les codecs HDA traditionnels au profit de codecs audio USB comme les Realtek ALC4080 ou ALC4082. Ces derniers permettent notamment de gérer des formats plus modernes, comme l’audio 32 bits / 384 kHz, voire certains usages professionnels nécessitant du DSD (Direct Stream Digital). En contrepartie, cette évolution ajoute une couche de complexité : les flux audio doivent désormais traverser une pile USB Windows plus riche, avec davantage d’interruptions et de traitements logiciels. Le son n’est donc pas nécessairement moins bon, mais son chemin jusqu’au DAC (le convertisseur numérique-analogique) est devenu potentiellement plus sensible aux problèmes de latence.

L’ironie de la situation est que pour une fois, Microsoft a déjà prévu une solution avec son modèle de pilotes WDM (Windows Driver Model). Grâce au traitement audio déporté matériellement (Hardware-Offloaded Audio Processing, HOAP), une carte son peut signaler au système qu’elle dispose de ses propres ressources de calcul, comme un DSP (Digital Signal Processor, processeur de signal numérique), un SoC ARM, ou un FPGA (Field Programmable Gate Array, circuit logique programmable).

Le traitement audio peut alors être effectué directement sur la carte : mixage des flux, décodage, gestion de l’audio spatial ou égalisation. Le processeur principal n’a plus qu’à gérer les échanges essentiels, ce qui réduit considérablement l’impact des DPC. Il ne s’agirait plus vraiment d’améliorer la qualité sonore, mais bien de reprendre le contrôle du traitement audio grâce à du matériel spécialisé.

Intel et AMD

La seconde partie de l’analyse de btarunr s’intéresse à l’architecture des plateformes Intel et AMD. Elle explique pourquoi les deux cadors ne sont pas logés à la même enseigne avec les codecs audio USB.

Sur les plateformes Intel, le bus HDA est historiquement relié au PCH (Platform Controller Hub, le chipset), qui communique avec le processeur via le DMI (Direct Media Interface). Bien que basé physiquement sur du PCI Express, ce lien dispose de mécanismes de qualité de service (QoS, Quality of Service) capables de prioriser certains flux sensibles à la latence, comme l’audio. Intel peut donc faire transiter ces données par le chipset tout en limitant les risques de perturbation liés à d’autres périphériques gourmands en bande passante, comme les SSD NVMe.

AMD a fait un choix architectural différent avec ses plateformes Ryzen. Ses processeurs modernes reposent sur une approche « SoC d’abord » : ils intègrent directement de nombreuses fonctions autrefois confiées au chipset, tandis que le FCH (Fusion Controller Hub, le chipset) sert essentiellement à ajouter de la connectivité. Le bus HDA n’est donc pas placé au niveau du chipset, comme chez Intel, mais directement dans le SoC.

Ce choix n’est pas forcément problématique en tant que tel. L’interface audio communique alors directement avec l’Infinity Fabric, l’interconnexion interne des processeurs Ryzen, qui intègre également de mécanismes sophistiqués de gestion QoS. La difficulté apparaît surtout avec les codecs audio USB modernes.

Pendant près de quinze ans, le bus HDA « Azalia » a parfaitement rempli son rôle, en offrant suffisamment de bande passante pour gérer de l’audio 24 bits / 192 kHz. Mais l’apparition de formats plus exigeants, comme le 32 bits / 384 kHz ou la lecture DSD (Direct Stream Digital), a poussé les fabricants à adopter de nouveaux codecs USB, comme les Realtek ALC4080 et ALC4082, capables de dépasser les limitations des anciens codecs HDA tels que l’ALC1220S.

Cette évolution s'est donc faite relativement naturellement chez Intel. Les fabricants peuvent raccorder ces codecs USB au chipset tout en continuant de bénéficier des mécanismes QoS du DMI, qui donnent la priorité aux flux sensibles à la latence.

La situation est plus complexe sur AM5. Sur de nombreuses cartes mères équipées de codecs USB, les fabricants connectent ces derniers aux ports USB 2.0 du chipset. Or, ce chipset communique avec le SoC via un lien PCI Express classique, sans les mécanismes QoS spécifiques du DMI. En cas de forte sollicitation du bus, le flux audio peut donc être davantage exposé aux pics de latence DPC.

Il existe pourtant une alternative. Le SoC Ryzen fournit quelques ports USB directement issus de ses contrôleurs intégrés au silicium. Ces derniers profitent d’une connexion plus directe avec l’architecture interne du processeur. Mais les fabricants de cartes mères préfèrent généralement réserver ces précieuses ressources, capables de gérer du 10 Gbit/s, aux ports USB 3.2 Gen 2 du panneau arrière, plutôt que de les consacrer à un codec audio qui se contente de 480 Mbit/s.

Il faut néanmoins relativiser. Ces problèmes nécessitent des conditions particulières, comme une forte saturation du chipset ou un pilote provoquant des blocages DPC importants. De nombreuses cartes mères AM5 haut de gamme continuent d'ailleurs de privilégier un codec HDA comme le Realtek ALC1220S ou ALC1220P plutôt qu'un codec USB. Si elles renoncent ainsi à la prise en charge native du 32 bits ou du DSD256, elles peuvent l'associer à un DAC ESS dédié afin d'obtenir un rapport signal/bruit pouvant atteindre 130 dB. Pour la grande majorité des utilisateurs, ce type d'implémentation reste largement suffisant.

Conclusion

L’édito de notre confrère pointe surtout un paradoxe : les codecs modernes ont atteint un niveau de qualité qui dépasse largement les besoins courants, tandis que l’architecture autour d’eux reste parfois le maillon faible. Un excellent rapport signal/bruit ne sert pas à grand-chose si le flux audio est interrompu par des problèmes de latence.

Pour btarunr, qui, ce n’est pas inutile de le préciser, se définit comme un audiophile, l’avenir pourrait donc passer par une renaissance des cartes son dédiées, mais pour une raison différente de celle des années 2000. Il concède que pendant des années, le marché des cartes son dédiées grand public a eu du mal à justifier son existence face à un audio intégré considéré comme « suffisamment bon ». Mais il estime que le paysage a fondamentalement changé : « L’audio intégré n’est plus vraiment "suffisamment bon" lorsqu’il doit constamment lutter contre le planificateur du système d’exploitation, partager la bande passante USB disponible et contraindre les utilisateurs à désactiver les C-states ou à forcer manuellement l’activation des cœurs simplement pour obtenir une lecture audio propre ».

En conclusion, notre confrère souhaite voir un « fabricant de matériel se lancer, ajouter une puce ARM performante ou un FPGA sur une carte PCIe, et libérer l’audio PC du piège de la latence liée au traitement côté processeur hôte ».

Nous avons forcément laissé de côté certains détails très pointus, comme les noms exacts des pilotes Windows ou les explications approfondies sur les couches protocolaires du DMI et de l’Infinity Fabric. Si le sujet vous passionne et que vous souhaitez l'approfondir, nous vous invitons à consulter les deux éditoriaux de btarunr.