XANDAR、安全クリティカルマルチコアシステム向けコード生成を加速

次世代のネットワーク組み込みシステムは、信頼性と安全性を決して妥協せずに、迅速なプロトタイピングと高性能を要求します。しかし、安全クリティカルな組み込みソフトウェアの展開は、複雑なツールチェーンと複雑なエンジニアリングプロセスによって妨げられてきました。フェイルオペレーショナル要件を持つ機械学習と人工知能を組み合わせた自律システムの台頭は、検証と妥当性確認の課題をさらに高めています。

これらの障壁に取り組むため、3年間のEU Horizon 2020プロジェクトXANDARは、要件取得からターゲットハードウェア上でのコード統合まで、検証と妥当性確認を完備した完全統合ソフトウェアツールチェーンを提供しています。目標は、安全性やセキュリティを犠牲にすることなく、相互運用可能な自律組み込みシステムの迅速なプロトタイピングを可能にすることです。

モデルベースシステムアーキテクチャに基づき、XANDARは厳格な非機能要件を満たす新規な自動モデル合成とソフトウェア並列化技術を導入します。この作業は、X-by-Construction（XbC）として知られる新しいリアルタイム、安全・セキュリティ・バイ・コンストラクションパラダイムの基盤を築きます。

安全クリティカル環境におけるマルチコア課題

並列処理によりマルチコアアーキテクチャはアプリケーションドメイン全体で普及しました。しかし、これらのシステムのプログラミング、特にスレッド同期と競合状態の回避は依然として困難です。並列コンパイラ、ドメイン固有言語、進化する開発者経験が負担を軽減しましたが、自動車や航空宇宙などの安全クリティカルドメインでは、エラーのない動作の検証と証明が最優先され、マルチコアプログラミングの追加複雑性と衝突します。

モデルベース設計は、低レベル詳細を抽象化しながら組み込み機能のモデリング、シミュレーション、コード生成を可能にすることで、このギャップを埋めます。この高レベルアプローチは航空宇宙、自動車、プロセス業界での採用を促進し、開発サイクルの高速化とコスト削減をもたらしました。

その強みにもかかわらず、モデルベース設計は初期システム仕様とアーキテクチャ探索に限定されることが多く、安全クリティカルシステムの最終ソフトウェアは依然として頻繁に手書きコーディングされています。ARGOなどのプロジェクトがWCET対応コード生成を導入し、モデルベースシステムズエンジニアリングが抽象化とビューポイントのレイヤリングにより電気/電子アーキテクチャに適用されてきました。しかし、これらの進歩でも手動のクロスドメイン統合が必要で、エラーを招きやすいインポート/エクスポートワークフローに悩まされています。

現在の研究は通常、アーキテクチャモデルを単純な有限状態機械記述で拡張し、シミュレーションベース検証用の実行可能仕様を生成します。しかし、分散ネットワークアーキテクチャ、統合行動モデリング、クロスレイヤーシミュレーション、検証、コード生成を真に包括的にカバーする環境はまだ実現されていません。

XANDARはこの空白を埋めることを目指します。そのコードジェネレータはXbC保証を維持し、入力モデルからすべての非機能特性を保持します。革新には、プラットフォームに依存しないコード生成、重要サービスの監視ラナブル、AI/MLワークロード向け非決定論的アクセラレータが含まれます。

これを達成するには、リアルタイム性能、エネルギー効率、非機能保証、ランタイム柔軟性のバランスを取る自動決定アルゴリズム、形式的チェック、最適化が必要です。これらの次元で共同最適化する高品質コードジェネレータには、専門的で最先端のソリューションが求められます。

XANDARコンソーシアムパートナー

XANDARプログラムは2023年12月まで実施され、Horizon 2020の下で500万ユーロの資金提供を受けています。カールスルーエ工科大学のJürgen Becker教授が率いるコンソーシアムは、産業界と学術界を結集します：

• Karlsruhe Institute of Technology（ドイツ）
• University of Peloponnese（ギリシャ）
• German Aerospace Center
• AVN Innovative Technology Solutions Ltd（キプロス）
• Vector Informatik GmbH（ドイツ）
• Queen's University Belfast（北アイルランド）
• BMW Group（ドイツ）
• fentISS（スペイン）

8パートナーの1つであるVectorは、組み込みソフトウェア専門知識と高性能開発環境PREEvisionおよびTA Tool Suiteを提供します。

PREEvisionは、明確なセマンティクスを持つ接続組み込みシステムの協調的モデルベース仕様を、すべてのシステムレベルにわたって可能にします。TA Tool Suiteは、複雑なリアルタイムシステムのタイミング動作の仕様、シミュレーション、検証をサポートします。これらがXANDARにおけるX-by-Construction設計の基盤を形成します。