AUTOSARマルチコア配分の最適化：自動車ソフトウェアにおける実践的な考慮点

自動車業界におけるマルチコアへの移行

自動車業界は、高度な機能性と中央集約型車両アーキテクチャの需要に対応するため、マルチコアアーキテクチャの採用を急速に進めています。2000年代初頭のデスクトップコンピューティング革命と同様に、現在のソフトウェアシステムは、マルチコアマイクロコントローラー（MCU）とシステムオンチップ（SoC）の潜在能力を最大限に引き出すために進化する必要があります。この移行は、開発者がソフトウェア設計、構成、最適化のアプローチを再考する必要がある重大な課題をもたらしています。自動車ソフトウェアソリューションのリーダーであるETASは、この進化の最前線に立っており、2009年に世界で初めて車両量産向けマルチコアAUTOSARスタックを開発しました。世界中で40億台を超えるECUがETAS RTA-CAR（RTA-Classic AUTOSAR）に依存していることから、同社は自動車メーカーがマルチコア実装の複雑さを克服する支援において豊富な経験を有しています。

並列化と深く組み込まれたシステムにおける課題

コア数を単純に増やすだけでは、必ずしも線形な性能向上にはつながりません。同期オーバーヘッド、コンテキストスイッチング、リソース競合、メモリアクセス時間、およびアムダールの法則の根本的な制限など、複数の要因が最適な並列化を実現する上での課題となっています。鍵は、並列処理を最大化し、順次処理を最小化し、メモリ使用を最適化してボトルネックを回避することにあります。

車両に深く組み込まれたシステムは、安全性、信頼性、リアルタイム動作に関する厳格な要件を満たす必要があります。歴史的に、これらのシステムはシングルコアアーキテクチャに基づいて構築されてきました。既存のシングルコアコードをマルチコア環境に移行することは困難です。既存のレガシーシステムをマルチコアに移行することは、新しいシステムをゼロから設計するよりも一般的に好まれます。ETASは、AUTOSAR規格にマルチコアサポートを初めて導入した企業のひとつであり、同時にETAS RTA-CAR BSW Stackを開発し、その機能を実用化しました。RTA-CAR BSW Stackは、分割されたシステムにおけるコア利用率の最適化を目的とした「マスター/サテライト」パターンを含む、BSWの配分に関する多様なアーキテクチャオプションを提供する包括的なスタックポートフォリオとして、段階的に発展してきました。

実践的な実装：実際の事例

このホワイトペーパーでは、実際の自動車事例を通じて、AUTOSARマルチコア配分の最適化に関する実践的な考慮点を検討します。具体的には、3つの異なるシナリオを分析します：

• 負荷分散の最適化：あるOEMは、マルチコアECUの1つのコアで実行時問題が発生しました。ETASは、過負荷のコアから負荷の軽いコアへComスタックを移動させることで、負荷の再配分を支援しました。これにより、ワークロードの分散が改善されました。システム最適な構成を決定するためには、具体的な最適化目標を理解することが重要です。

• 実行時のスパイクの軽減: ティア1サプライヤーは、ブレーキECUの実行時スパイク中にパフォーマンスのボトルネックに直面しました。ETASは、Com_MainFunctionRxを異なる周期を持つ複数の関数に分割し、アプリケーションソフトウェア（ASW）のタイミング要件に合わせることで、Comスタックを最適化しました。分割は、バス通信に近いレイヤーからASW方向へ実施されました。バススタックでトリガーを処理し、上位レイヤーが送信または受信すべきメッセージをポーリングする方式は、効率的です。
• マスター/サテライトおよびマルチマスター方式によるBSWモジュール配分: AUTOSARは、マスター/サテライトパターンを使用して、BSWモジュールをコア間で配分します。ASWが異なるパーティション内の機能にアクセスする必要がある場合、マスターが下位層を制御し、サテライトが他のコア上のASWへのアクセスを提供します。ETASはマルチマスター方式も提供しています。この方式を使用すると、プロジェクトは完全なバスを他のコアにマッピングできます。
• 革新的なマルチコアプロジェクトのゼロから構築: 顧客はETASに、バスミラーリングと高度に分散化されたComスタックを備えた次世代ゲートウェイECUの設計を依頼しました。このグリーンフィールドシナリオにより、5つのコアに最適化された分散配置を実現し、厳しいスケジュール内でパフォーマンスの最適化と新規要件の実現が可能になりました。ETASはデータ整合性を確保するため、異なるアプローチを採用しました。ETASの独自モジュールXCoreCDD（Cross-Core Complex Device Driver）を介したPduRインターフェースの実装により、ロックが不要となり、プロセスをさらに最適化できます。

ETAS RTA-CAR：マルチコア自動車ソフトウェア開発の強化

ETAS RTA-CARは、自動車アプリケーションの量産向けに設計された最先端のコンパクトなソフトウェアソリューションです。世界中の数百社に採用され、数千万台の車両に搭載される数十億の自動車用ECUを駆動しています。単一コアおよびマルチコアプロジェクトの両方に適しています。RTA-CARは、AUTOSARの要件を超えるソリューションを提供します。

これには以下のものが含まれます：

• ロックフリーXCoreCDD：PduRインスタンスを接続するロックフリーパイプの実装。
• Comアダプター：ASWの配線をComスタックの配線から分離します。
• WdgMのマルチマスター機能：通常のマスター/サテライト構成に加え、WdgMはマルチマスター機能をサポートしています。

今後の展望

次世代の車両アーキテクチャにおいて、マルチコアの効率的な配分は不可欠です。ETASは、RTA-CARのマルチコア機能を継続的に拡張しており、マルチコア性能の理解と最適化を支援するツールも含まれています。今後のリリースでは、OEMおよびティア1サプライヤーが現在の車両アーキテクチャおよび将来のアーキテクチャの潜在能力を最大限に引き出すための新たな機能と最適化が導入されます。新しい専用領域構成エディターは、静的解析を活用してユーザーがプロジェクトを最適化できるよう支援します。