XANDARは、セーフティクリティカルなマルチコア設計でのコード生成を目的としています

次世代のネットワーク化された組み込みシステムは、信頼性や安全性などの重要な品質を維持しながら、ラピッドプロトタイピングと高性能を必要とします。ただし、セーフティクリティカルな組み込みシステムの展開には、複雑なソフトウェアツールチェーンとエンジニアリングプロセスが必要です。また、機械学習（ML）と人工知能（AI）のアプリケーションに依存する自律システムの現在の傾向は、失敗した操作の要件と組み合わせて、これらの新しいシステムの検証と妥当性確認を困難な取り組みにしています。

これに対処するために、XANDARと呼ばれる3年間の欧州連合の資金提供を受けたプロジェクトは、相互運用可能で自律的な組み込みシステムのラピッドプロトタイピングのニーズを満たす成熟したソフトウェアツールチェーン（要件のキャプチャから検証と妥当性確認を含むターゲットでの実際のコード統合まで）を提供することを目的としています。

XANDARは、モデルベースのシステムアーキテクチャから始めて、新しい自動モデル合成とソフトウェア並列化技術を活用して、新しいリアルタイム、安全性、およびセキュリティによる構築（X-by）の基盤を設定する特定の非機能要件を実現します。 -建設、またはXbC）パラダイム。

セーフティクリティカルな環境でのマルチコアの課題

並列処理の時代はマルチコアアーキテクチャを主流に押し上げ、ほとんどすべてのアプリケーションドメインで使用される状況になりました。マルチコアアーキテクチャのプログラミングに関する最初の課題は、主に実行の並列動作スレッド間の同期と競合状態に関連していますが、まだ完全には解決されていません。

コンパイラ、並列言語、特殊言語構造、およびプログラミングの新しいパラダイムに慣れているソフトウェア開発者の全体的な成長経験によって状況は緩和されますが、セーフティクリティカルなドメインでは、マルチコアはまだ成功していません。自動車や航空宇宙などの環境では、エラーのない動作の検証と証明が不可欠であり、マルチコアプログラミングで追加された複雑さと新しいエラーの原因と矛盾します。

このコンテキストでは、モデルベースの設計が答えを提供し、現在のマルチコアアーキテクチャプログラミングとセーフティクリティカルドメインの要件の間のギャップを埋めることができる場合があります。

制御機能のモデルベースの設計は、過去20年間、特に組み込み電子機器とソフトウェアをますます利用する航空宇宙、自動車、およびプロセス産業でますます関心を集めています。この傾向の主な理由は、開発プロセスをより高いレベルの観点から管理し、それによってシステムの動作のシミュレーションとモデル化された関数のコード生成を可能にしながら、システムの低レベルの設計から抽象化する可能性です。これにより、開発時間とコストが削減されます。

モデルベースの設計は、初期のシステム仕様、構造モデリング、および設計空間の調査にますます採用されていますが、重要な組み込みシステムの最終的なソフトウェア実装は、依然として手動で開発されることがよくあります。

分離された組み込みシステムの単一の安全性の側面を認識するエンドツーエンドのソリューションは、WCET（最悪の場合の実行時間）を意識したコード生成に焦点を当てたARGOなどの最近の研究プロジェクトで開発されました。電気/電子アーキテクチャに向けたモデルベースのシステムエンジニアリングアプローチも、近年確立されています。アーキテクチャを複数の抽象化レイヤーと視点に分割して、分析と設計から量産までの開発プロセス全体の複雑さを管理します。これの主な理由は、モデルベースの関数設計に類似していると見なすことができますが、アーキテクチャとシステムの観点からです。

各ドメインのモデルベースの開発は、通常、個別の実行プロセスであり、アーキテクチャの決定と情報は、モデルベースの機能設計ツールで手動でモデル化する必要があります。その逆も同様です。交換フォーマットは、通信マトリックスなどのシステムの個々の側面に存在しますが、インポート/エクスポートプロセスは、特にモデルでの分散型および同時コラボレーションを検討する場合に、アーキテクチャと補完的な動作モデルの間に不整合を引き起こすエラーが発生しやすい傾向があります。

既存のアプローチと研究は、単純な有限状態マシンの動作記述を使用してアーキテクチャモデルを修正し、シミュレーションベースの検証のための実行可能なアーキテクチャ仕様の生成を扱います。ただし、これは、単一ソースのメタモデルを使用して統合開発環境内のすべての設計と検証のステップをキャプチャする全体的なアプローチにさらに発展させる必要があります。

これには、特に、分散型ネットワーク組み込みシステムのアーキテクチャモデリング、詳細な統合動作モデリング、クロスレイヤーシミュレーションモデルへの統合、および必要な検証手順とその後のコード生成が含まれます。

XANDARは、コードジェネレーターが必要なX-by-construction（XbC）保証を提供し、入力モデルの関連する非機能プロパティを保持する、このような全体的なアプローチの実現に着手します。 XANDARは、重要なサービスの監視ランナブルの生成や、AIおよびMLアプリケーションの非決定論的アクセラレータの生成など、プラットフォームに依存しないコード生成サポートを提供することにより、この分野に新しいイノベーションを導入します。

これらの課題に対処するには、パフォーマンスとエネルギー効率だけでなく、非機能保証のためにも、新しい概念、自動決定アルゴリズム、正式なチェック、およびプログラムの最適化が必要です。プロセス全体は、リアルタイムパフォーマンス、エネルギー効率、非機能保証、および実行時の柔軟性の間のトレードオフの影響を受けます。これらすべての側面を協調的に最適化する高品質のコードジェネレーターと変換には、新しい特殊なソリューションが必要です。

XANDARコンソーシアムパートナー

XANDARプロジェクトは、2023年12月に終了する3年間のプログラムであり、Horizo​​n2020フレームワークの下で500万ユーロの資金をEUから提供されています。カールスルーエ工科大学のユルゲンベッカー教授が率いる産業界と学界のコンソーシアムのパートナーは次のとおりです。

• カールスルーエ工科大学（ドイツ）
• ペロポネソス大学（ギリシャ）
• ドイツ航空宇宙センター
• AVN Innovative Technology Solutions Ltd（キプロス）
• Vector Informatik GmbH（ドイツ）
• クイーンズ大学ベルファスト（北アイルランド）
• BMWグループ（ドイツ）
• fentISS（スペイン）

8つのXANDARコンソーシアムパートナーの1つはVectorです。同社は、組み込みソフトウェアスペシャリストとしての専門知識と、高性能開発環境PREEvisionおよびTA Tool Suiteを使用して、プロジェクトの野心的な目標の達成に貢献しています。

ここで、PREEvisionを使用すると、接続された組み込みシステムを、すべてのシステムレベルを統合する明確に定義されたセマンティクスを使用して、協調的かつモデルベースで指定できます。 TA Tool Suiteを使用して、複雑なリアルタイムシステムの時間動作を指定、シミュレーション、および検証できます。 2つの環境は、X-by-Construction設計フレームワークをセットアップするための基盤を提供します。