関数型言語ElixirのIoTシステム開発への展開
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PPL 2021 (第23回プログラミングおよびプログラミング言語ワークショップ) @ 2021/03/09 https://jssst-ppl.org/workshop/2021/index.html 概要: IoT（Internet of Things）は情報科学の総合格闘技である．多様かつ大量の計算機器がネットワークを介して密接に絡み合い，様々な分野の技術領域を結集させて，大規模かつ複雑なIoTシステムが構築される．講演者は，IoTシステム分野におけるElixirの可能性に着目している．Elixirは2012年に登場した関数型言語であり，処理の振る舞いではなくデータの扱いを直接的に操作するためのライブラリや記法が豊富に整備されている．加えて記述容易で開発生産性が高く，並行／並列システムを容易に実現できるという特徴がある．本講演では，Elixirの特徴をIoTシステム開発に展開するための取り組みについて紹介する．関数を部品と捉えてその間の接続関係と並行処理を表現した処理フローは，データフロー型のシステムアーキテクチャの設計と親和性が高い．これを活かしたFPGA設計の最適化手法を提案する．また，アクターベースの軽量かつ頑強なプロセスモデルをIoTシステム通信機構に応用する試みを紹介する．元来の組込みシステム研究者が考えるプログラミング言語のIoTシステム分野への可能性について，PPLの参加者の皆さまとともに議論したい． 注：SlideShareアップロード時に画像の色情報が落ちています． [Download] すると綺麗なPDFが取得できます．
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Nervesのリアルタイム性
ü最⼩の構成で⼗分なリアルタイム性を提供する
üSoC性能がリアルタイム性にも直結する
1. GCの設定
ローカルデータを消費するもの
にはminor GCの抑⽌が効果的
最⼩のヒープサイズを適切に
設定することも効果がある
2. プロセス優先度の設定
最悪実⾏時間の改善には
high の設定は有⽤
さらなる調査が不可⽋
3. CPU周波数の制御
周波数の固定化はリアルタイム性の
改善に寄与する
IoTデバイスでは消費エネルギーの
最適化も重要となる
4. カーネルのカスタマイズ
有意な効果は⾒られなかった
I/O処理が断続的かつ⼤量な
場合には効果がある可能性がある
https://www.verypossible.com/insights/is-
nerves-a-real-time-embedded-system
• ⾼瀬，河上，菊池︓関数型⾔語ElixirのIoTフレームワークNervesに関するリアルタイム性の評価およびその改善の試み，
情報処理学会研究報告，Vol. 2020-EMB-55，No. 7, 2020. [paper]
• Hideki Takase: An Evaluation of Real-Time Performance for Nerves, Nerves in Action Web Series [slide]](https://image.slidesharecdn.com/ppl-20210309-210309052743/85/Elixir-IoT-15-320.jpg)
![25
⾼位合成 (HLS: High Level Synthesis)
• 抽象度の⾼い動作記述からRTLを⽣成する技術
汎⽤プログラミング⾔語によって振る舞いを定義
「なに」を⾏うかに重点を置いて設計する
ü多くの商⽤ツールはC/C++またはその拡張⾔語
ソフトウェア志向の協調設計との親和性が⾼い
プロセッサ
通信バス
FPGA
HW
SW
SW
int_t main () {
a = func1(xxx);
b = a + func2(yyy);
}
int func1(int x) {
…
return val;
}
int func2(int x) {
int a[N];
int i;
for(i=0;i<N;i++){
a[i] = ･･･;
:
}
}
x
func
i
a
SW](https://image.slidesharecdn.com/ppl-20210309-210309052743/85/Elixir-IoT-25-320.jpg)
![27
Elixirによる⾼位合成︓アイデア
input_list
|> Flow.from_enumerable(stages: 4)
|> Flow.map(& foo(&1))
|> Flow.map(& bar(&1))
|> Enum.to_list
|> Enum.sort
from_
enumerable
input_list
foo
foo
foo
foo
sort
to_list
arbitrator
bar
bar
bar
bar
input
_list from_
enume
rable
to_list
sort
foo bar
foo bar
foo bar
foo bar
arbitrator
foo bar
foo
bar
foo bar
foo
bar
foo
bar
foo
foo bar
foo
bar
foo bar bar
foo bar
foo bar
foo bar
foo bar
• H. Takase, et al. “WiP: A concept of a hardware design environment with the functional language Elixir,” in CODES+ISSS, 2019.
• H. Takase, “Cockatrice: A Hardware Design Environment with Elixir,” ElixirConf US 2019. [video] / [slide]
• H. Takase, “Towards a Hardware Synthesis Environment from the Functional Language Elixir,” ASP-DAC 2021 Designersʼ Forum.](https://image.slidesharecdn.com/ppl-20210309-210309052743/85/Elixir-IoT-27-320.jpg)
![• H. Takase, et al. “WiP: A concept of a hardware design environment with the functional language Elixir,” in CODES+ISSS, 2019.
• H. Takase, “Cockatrice: A Hardware Design Environment with Elixir,” ElixirConf US 2019. [video] / [slide]
• H. Takase, “Towards a Hardware Synthesis Environment from the Functional Language Elixir,” ASP-DAC 2021 Designersʼ Forum. 28
設計記述と合成フロー
設計記述の
解析
設計記述
Elixir
ライブラリIP・
テンプレート
HDL+DSL
構⽂⽊
AST
Elixir関数対応
HWモジュール⽣成
HW IPモジュール
HDL
データフロー合成 データフロー型
HW回路 HDL
HW回路
bitstream
IFドライバ
C
論理合成
(HW回路合成)
アプリ記述
Elixir+C(NIF)
IF回路
ドライバ合成
SWコンパイル
Elixirライブラリと機能等価な
モジュールをIPとして提供
(HW屋さん的にはIPベース設計)
無名関数の演算⼦・関数や
並列度等のパラメータを
テンプレートのDSLに適⽤
SW/HW間のインタフェース機構を⽣成](https://image.slidesharecdn.com/ppl-20210309-210309052743/85/Elixir-IoT-28-320.jpg)
![29
機能等価なHDL IPの設計
• Enumライブラリ関数の処理パターンを分類
1. 各要素に対して独⽴して結果を出⼒する演算・関数
2. 複数要素を受け取って単⼀要素を出⼒する演算・関数
ü処理に結合性があればHWモジュールは集約可能
3. 複数要素を受け取って複数要素を出⼒する演算・関数
• H. Takase, et al. “WiP: A concept of a hardware design environment with the functional language Elixir,” in CODES+ISSS, 2019.
• H. Takase, “Cockatrice: A Hardware Design Environment with Elixir,” ElixirConf US 2019. [video] / [slide]
• H. Takase, “Towards a Hardware Synthesis Environment from the Functional Language Elixir,” ASP-DAC 2021 Designersʼ Forum.](https://image.slidesharecdn.com/ppl-20210309-210309052743/85/Elixir-IoT-29-320.jpg)
![30
SW/HW通信インタフェース機構
SWの関数呼び出しと
同じ記述でHWを起動
ErlangのNIF機能で
C実装デバドラをラッピング
Elixirのリストと
Cの配列を相互変換
Xilinx Zynq搭載の
AMBA AXI4に準拠して通信
Xilinx Zynq搭載の
AMBA AXI4に準拠して通信
Elixirライブラリ関数と
機能等価なHDL IP
• H. Takase, et al. “WiP: A concept of a hardware design environment with the functional language Elixir,” in CODES+ISSS, 2019.
• H. Takase, “Cockatrice: A Hardware Design Environment with Elixir,” ElixirConf US 2019. [video] / [slide]
• H. Takase, “Towards a Hardware Synthesis Environment from the Functional Language Elixir,” ASP-DAC 2021 Designersʼ Forum.](https://image.slidesharecdn.com/ppl-20210309-210309052743/85/Elixir-IoT-30-320.jpg)
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現状と⽅向性
• Cockatrice︓Elixirの⾼位合成系
9種類のEnum関数をHDL IP化
組込みボード Zybo 向けに通信機構を
実装して実機動作を確認
ü AXI4では性能が出ない
Vivado HLS以外との連携を模索中
• 狙いどころ︓AI/MLアプリ
ü 少なくとも組込み向けではなさそう
IoT向けビッグデータのストリーム処理
柔軟に機能を変えたいクラウドサーバ処理
• H. Takase, et al. “WiP: A concept of a hardware design environment with the functional language Elixir,” in CODES+ISSS, 2019.
• H. Takase, “Cockatrice: A Hardware Design Environment with Elixir,” ElixirConf US 2019. [video] / [slide]
• H. Takase, “Towards a Hardware Synthesis Environment from the Functional Language Elixir,” ASP-DAC 2021 Designersʼ Forum.
Elixirはリアルタイムアプリには向いているが，
データ量が⼤きくなると性能が出ない](https://image.slidesharecdn.com/ppl-20210309-210309052743/85/Elixir-IoT-31-320.jpg)
![40
Rclex API(⼀部) Rclex
tlk-emb/rclex
関数名/引数の数 引数 機能
rclexinit/0 - 初期化
コンテキストを有効化
create_nodes/3,4 コンテキスト, ノード名,
[名前空間,] ノード数
ノード名を作成
create_publishers/3 ノードリスト, トピック,
トピックの作成⽅法
パブリッシャ⽣成
publish/2 パブリッシャリスト,
メッセージリスト
データ出版開始
create_subscribers/3 ノードリスト, トピック,
トピックの作成⽅法
サブスクライバ⽣成
subscribe/3 サブスクライバリスト,
コンテキスト, コールバック
データ購読開始
create_timer/3 ノードリスト, 時間,
コールバック
コールバック関数を
周期的に実⾏
基本的な出版購読通信を(とりあえず)サポート](https://image.slidesharecdn.com/ppl-20210309-210309052743/85/Elixir-IoT-40-320.jpg)
![46
Nervesアプリ開発の効率化
栗林, 他︓IoTデバイス内アプリケーションの開発効率向上のためにコード
の変更を動的に適⽤する⽅式の提案と実装，情報処理学会研究報告，
Vol. 2021-SE-207，No. 32, 2021. [paper] [slide]
菊地︓超個体性をもったエッジコンピューティング実現に向けElixir/Nerves
環境の適合性評価，ITRC RICC-PIoT workshop 2021 [slide]](https://image.slidesharecdn.com/ppl-20210309-210309052743/85/Elixir-IoT-46-320.jpg)
関数型言語ElixirのIoTシステム開発への展開
- 2. 2 ⽬次・内容︓ • はじめに︓⾃⼰紹介とやりたいこと ① 関数型⾔語ElixirとIoTフレームワークNervesの紹介 ② “包括的な”IoTシステム開発環境 ③ FPGAを積極活⽤する協調設計 ④ 分散型処理配置と通信ミドルウェア • おわりに︓Elixir for/with IoTの最新動向と研究の展望
- 3. 3 ⾃⼰紹介 本務・兼務 京都⼤学 情報学研究科 准教授 JSTさきがけ 兼任研究者 理研R-CCS 客員研究員 TOPPERSプロジェクト 運営委員 学会活動 IPSJ-SIGEMB 運営幹事 IEICE-RECONF 専⾨委員 SWEST ステアリング委員 コミュニティ活動 ROS Japan Users Group ROSCon JP 実⾏委員 IoT ALGYAN (あるじゃん) 運営委員 NervesJP : Elixir for IoT @takasehideki 箱 庭
- 6. 6 ⾼瀬の研究テーマ あらゆる モノ・コトと ヒトを繋げる 設計基盤の 確⽴ 最適化 設計技術 良いモノ を 誰でも楽に つくることができる世界へ 組込み／IoTコンピューティング基盤を⽀える プラットフォーム技術と設計⽅法論
- 7. これまでの取り組みと成果 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 task arrival task is running MM-SPM copy Execution time Task1 Task2 Task3 SPM region メモリ配置最適化 ΗΑ΅ ΗΑ΅ ΗΑ΅ ΗΑ΅ ΗΑ΅ ΗΑ΅ ΗΑ΅ Εή Π̻ ̼ ̰ R N B ̰ Ѓ ; Ξ΅ Ιμ㌸廷 ʹ ό ΙΛΰ ΦΛΠψЃ ΅ ㌸廷 Ή ό Ϊ ̹ ς ㌸廷 Q S N R ㌸廷 剰堽⒔ ς ό Θι φΐ Λ΅ κλσ̰ Ѓ ; Ξ΅ Ιμ㌸廷 ΰ φΓΛΌ ̰ Ѓ ; Ξ΅ Ιμ㌸廷 徳從㝡㏆㌸廷 G V ̰ τΊ σΒι κλσ'; μΛΏ ξ( ✆咩G V ΰ φΓΛΌ κλσ ΰ φΓΛΌ ʹ ό ΙΛΰ ΦΛΠψЃ ΅ ΰ φΓΛΌ κλσ ΰ φΓΛΌ ✆咩G V 設計階層に跨る 消費エネルギー 統合的最適化 RTOS FPGA ROS Elixir Power- Efficient High- Performance Power- Efficient High- Performance τ1 CP1 CP2 τ2 τ3 High- Performance Power- Efficient τ1 τ2 τ3 τ3 DEPS for hetero SoC SW志向協調設計 ZytleBot SoCアーキテクチャ コンパイラ 汎⽤カーネル 通信ミドルウェア AI/MLライブラリ SoCアーキテクチャ コンパイラ リアルタイムOS 通信ミドルウェア デバイスライブラリ SoCアーキテクチャ コンパイラ インタプリタ 通信ミドルウェア 数値演算ライブラリ デバイス エッジサーバ クラウド 箱 庭 Cockatrice HLS最適化 包括的IoT 開発環境 組込み向けROS ① ② ③ Rclex ③ 7
- 9. 9 今⽇やりたいこと • Elixir/NervesのセカイをPPLな皆さまにご案内します • Elixir for/with IoTの取り組みを紹介します • 「プログラミング⾔語の観点からのIoT研究」について， みなさんと考えたいです（教えてください :D おてやわらかによろしくどうぞですm(_ _)m
- 10. 10 ⽬次・内容︓ • はじめに︓⾃⼰紹介とやりたいこと ① 関数型⾔語ElixirとIoTフレームワークNervesの紹介 ② “包括的な”IoTシステム開発環境 ③ FPGAを積極活⽤する協調設計 ④ 分散型処理配置と通信ミドルウェア • おわりに︓Elixir for/with IoTの最新動向と研究の展望
- 12. 12 Elixir!! 2012年に登場した新たな関数型⾔語 Erlang VM上で動作 • ⾼い並列性能を誇る • 軽量かつ頑強なプロセスモデル • 耐障害性が極めて⾼い Rubyを基にした⾔語設計 • 習得しやすく⽣産性が向上する • WebフレームワークPhoenixを持つ Ø応答性が極めて⾼い Programming should be about transforming data Elixir Zen Style Zen(禅) とは本質美である • プログラミングの本質とはデータの流れである Elixirではデータフローと並列処理を Enum Flow |> で直感的に記述できる ※各⾔語・フレームワークのロゴの権利は それぞれの作成者に帰属しています
- 13. 13 Elixirの気持ちよさ • Zen Style!! • (やや)強い動的型付けとイミュータブル性 • 処理のモジュール化と制御の抽象化 関数とパイプ／プロセスとメッセージ • メモリ軽量かつ堅牢なプロセスモデル プロセス単位でのメモリ管理と障害復旧 • バイナリ操作とパターンマッチ Shared Data Core #1 Core #2 3.14 ダッシュ ボード Link Super Visor one_for_one App 液晶 データ ロガー Link センサ 監視 制御 Link ボタン {:ok, ref} = Circuits.I2C.open(@i2c_bus) Circuits.I2C.write(ref, @i2c_addr, <<0xBE, 0x08, 0x00>>) Circuits.I2C.write(ref, @i2c_addr, <<0xAC, 0x33, 0x00>>) {:ok, val} = Circuits.I2C.read(ref, @i2c_addr, 7) <<_state::8, raw_humi::20, raw_temp::20, _crc::8>> = val
- 14. 14 • ElixirによるIoTフレームワーク 極⼩規模のファームウェア (~>30 MB) 堅牢性の⾼いファイルシステム 機能の取捨選別が容易 (Buildrootの利⽤) • Elixirと完全互換で習熟性が⾼い アクターベースの並⾏プログラミング IoT向けになにかを気にする必要なし • 有⽤なIoTライブラリとツール NervesHub: Device to the Cloud!! Bootloader A Linux kernel (Buildroot) Master Boot Record Root Filesystem A (Read-only) Application Data (Read-Write) C libraries Erlang VM Bootloader B Root Filesystem B (Read-only) C libraries Erlang VM CQ出版Interface 2020年6⽉号〜 2021年1⽉号
- 15. 15 Nervesのリアルタイム性 ü最⼩の構成で⼗分なリアルタイム性を提供する üSoC性能がリアルタイム性にも直結する 1. GCの設定 ローカルデータを消費するもの にはminor GCの抑⽌が効果的 最⼩のヒープサイズを適切に 設定することも効果がある 2. プロセス優先度の設定 最悪実⾏時間の改善には high の設定は有⽤ さらなる調査が不可⽋ 3. CPU周波数の制御 周波数の固定化はリアルタイム性の 改善に寄与する IoTデバイスでは消費エネルギーの 最適化も重要となる 4. カーネルのカスタマイズ 有意な効果は⾒られなかった I/O処理が断続的かつ⼤量な 場合には効果がある可能性がある https://www.verypossible.com/insights/is- nerves-a-real-time-embedded-system • ⾼瀬，河上，菊池︓関数型⾔語ElixirのIoTフレームワークNervesに関するリアルタイム性の評価およびその改善の試み， 情報処理学会研究報告，Vol. 2020-EMB-55，No. 7, 2020. [paper] • Hideki Takase: An Evaluation of Real-Time Performance for Nerves, Nerves in Action Web Series [slide]
- 17. 17 ElixirとNervesの採⽤事例 画像クリックで 詳細ページに • 8 Companies That Use Elixir in Production https://serokell.io/blog/elixir-companies • ⽇本で Erlang/OTP や Elixir を利⽤している会社⼀覧 github: voluntas/japanese-erlang-elixir-companies https://www.nerves-project.org/case-studies Le Tote: ⾐料品倉庫のRFIDと キオスクによる在庫管理 Hop: 顔認証機能付きの キオスクビールサーバ FarmBot: スマートファームの実現
- 18. 18 (時間があれば)論よりRUN!! • 必要な環境︓Elixir, Erlang, nerves_bootstrap, hex, rebar macOS, Linux (Ubuntu) 向け︓ ElixirでIoT #4.1 Windows (WSL 2) 向け︓ ElixirでIoT #4.1.1 VSCode + dev-container: ElixirでIoT #4.1.2 • デモの内容 1. Nervesプロジェクトの作成・各種設定 2. ファームウェアのビルドとmicroSDへの書き込み 3. OTAでのファーム更新とGPIOデバイス操作 4. Phoenixとの連携で温湿度表⽰
- 19. 19 ⽬次・内容︓ • はじめに︓⾃⼰紹介とやりたいこと ① 関数型⾔語ElixirとIoTフレームワークNervesの紹介 ② “包括的な”IoTシステム開発環境 ③ FPGAを積極活⽤する協調設計 ④ 分散型処理配置と通信ミドルウェア • おわりに︓Elixir for/with IoTの最新動向と研究の展望
- 21. 21 設計階層の縦断 SoCアーキテクチャ コンパイラ 実⾏環境 通信ミドルウェア ライブラリ 1. FPGAを積極活⽤する協調設計 • 関数型⾔語からの⾼位合成 • 並列HWの調停IPの設計 2. ElixirのIoT向け軽量実⾏環境 • インタプリタ⽅式／コンパイラ⽅式 • 静的解析によるデータ活⽤の最適化 • リアルタイム性能の強化 3. ⾼性能統計エンジン • ビッグデータ対応数値演算ライブラリ • 並列分散処理AI/MLエンジン
- 22. 22 構成要素の横断 5. 開発フレームワークの実証的検証 • 適⽤事例による有効性と実⽤性の⽴証 • 被験者実験の実施による開発⽣産性の評価 4. 分散型処理配置と通信ミドルウェア • データ中⼼型による⼀気通貫のシステムレベル設計 • ⼀体のElixir記述からの処理分割と適切配置 • スケーラブルなデータ通信を実現する通信機構とミドルウェア Rclex
- 23. 23 ⽬次・内容︓ • はじめに︓⾃⼰紹介とやりたいこと ① 関数型⾔語ElixirとIoTフレームワークNervesの紹介 ② “包括的な”IoTシステム開発環境 ③ FPGAを積極活⽤する協調設計 ④ 分散型処理配置と通信ミドルウェア • おわりに︓Elixir for/with IoTの最新動向と研究の展望
- 24. FPGA (Field Programmable Gate Array) • ハードウェアを⾃由に形成可能なLSI • GPUよりも電⼒効率に優れる • プロセッサと密結合されたSoCが 最近の主流になっている 柔軟性の必要な逐次処理はSWで 並列性のある⾼負荷処理はHWで 24 IOB SB CB LB IOB IOB SB IOB LB SB CB CB SB CB SB SB CB CB LB IOB IOB LB SB SB SB IOB IOB CB CB CB CB CB CB ⼊出⼒ブロック コネクションブロック LB 論理ブロック IOB SB スイッチブロック CB プロセッサ 通信バス FPGA HW SW SW
- 25. 25 ⾼位合成 (HLS: High Level Synthesis) • 抽象度の⾼い動作記述からRTLを⽣成する技術 汎⽤プログラミング⾔語によって振る舞いを定義 「なに」を⾏うかに重点を置いて設計する ü多くの商⽤ツールはC/C++またはその拡張⾔語 ソフトウェア志向の協調設計との親和性が⾼い プロセッサ 通信バス FPGA HW SW SW int_t main () { a = func1(xxx); b = a + func2(yyy); } int func1(int x) { … return val; } int func2(int x) { int a[N]; int i; for(i=0;i<N;i++){ a[i] = ･･･; : } } x func i a SW
- 26. 26 ⾼位合成からみたプログラミング⾔語 R. Nane, et al.: A Survey and Evaluation of FPGA High-Level Synthesis Tools, IEEE T-CAD, 2015. M. W. Numan, et al.: Towards Automatic High-Level Code Deployment on Reconfigurable Platforms: A Survey of High- Level Synthesis Tools and Toolchains, IEEE Access, 2020.
- 27. 27 Elixirによる⾼位合成︓アイデア input_list |> Flow.from_enumerable(stages: 4) |> Flow.map(& foo(&1)) |> Flow.map(& bar(&1)) |> Enum.to_list |> Enum.sort from_ enumerable input_list foo foo foo foo sort to_list arbitrator bar bar bar bar input _list from_ enume rable to_list sort foo bar foo bar foo bar foo bar arbitrator foo bar foo bar foo bar foo bar foo bar foo foo bar foo bar foo bar bar foo bar foo bar foo bar foo bar • H. Takase, et al. “WiP: A concept of a hardware design environment with the functional language Elixir,” in CODES+ISSS, 2019. • H. Takase, “Cockatrice: A Hardware Design Environment with Elixir,” ElixirConf US 2019. [video] / [slide] • H. Takase, “Towards a Hardware Synthesis Environment from the Functional Language Elixir,” ASP-DAC 2021 Designersʼ Forum.
- 28. • H. Takase, et al. “WiP: A concept of a hardware design environment with the functional language Elixir,” in CODES+ISSS, 2019. • H. Takase, “Cockatrice: A Hardware Design Environment with Elixir,” ElixirConf US 2019. [video] / [slide] • H. Takase, “Towards a Hardware Synthesis Environment from the Functional Language Elixir,” ASP-DAC 2021 Designersʼ Forum. 28 設計記述と合成フロー 設計記述の 解析 設計記述 Elixir ライブラリIP・ テンプレート HDL+DSL 構⽂⽊ AST Elixir関数対応 HWモジュール⽣成 HW IPモジュール HDL データフロー合成 データフロー型 HW回路 HDL HW回路 bitstream IFドライバ C 論理合成 (HW回路合成) アプリ記述 Elixir+C(NIF) IF回路 ドライバ合成 SWコンパイル Elixirライブラリと機能等価な モジュールをIPとして提供 (HW屋さん的にはIPベース設計) 無名関数の演算⼦・関数や 並列度等のパラメータを テンプレートのDSLに適⽤ SW/HW間のインタフェース機構を⽣成
- 29. 29 機能等価なHDL IPの設計 • Enumライブラリ関数の処理パターンを分類 1. 各要素に対して独⽴して結果を出⼒する演算・関数 2. 複数要素を受け取って単⼀要素を出⼒する演算・関数 ü処理に結合性があればHWモジュールは集約可能 3. 複数要素を受け取って複数要素を出⼒する演算・関数 • H. Takase, et al. “WiP: A concept of a hardware design environment with the functional language Elixir,” in CODES+ISSS, 2019. • H. Takase, “Cockatrice: A Hardware Design Environment with Elixir,” ElixirConf US 2019. [video] / [slide] • H. Takase, “Towards a Hardware Synthesis Environment from the Functional Language Elixir,” ASP-DAC 2021 Designersʼ Forum.
- 30. 30 SW/HW通信インタフェース機構 SWの関数呼び出しと 同じ記述でHWを起動 ErlangのNIF機能で C実装デバドラをラッピング Elixirのリストと Cの配列を相互変換 Xilinx Zynq搭載の AMBA AXI4に準拠して通信 Xilinx Zynq搭載の AMBA AXI4に準拠して通信 Elixirライブラリ関数と 機能等価なHDL IP • H. Takase, et al. “WiP: A concept of a hardware design environment with the functional language Elixir,” in CODES+ISSS, 2019. • H. Takase, “Cockatrice: A Hardware Design Environment with Elixir,” ElixirConf US 2019. [video] / [slide] • H. Takase, “Towards a Hardware Synthesis Environment from the Functional Language Elixir,” ASP-DAC 2021 Designersʼ Forum.
- 31. 31 現状と⽅向性 • Cockatrice︓Elixirの⾼位合成系 9種類のEnum関数をHDL IP化 組込みボード Zybo 向けに通信機構を 実装して実機動作を確認 ü AXI4では性能が出ない Vivado HLS以外との連携を模索中 • 狙いどころ︓AI/MLアプリ ü 少なくとも組込み向けではなさそう IoT向けビッグデータのストリーム処理 柔軟に機能を変えたいクラウドサーバ処理 • H. Takase, et al. “WiP: A concept of a hardware design environment with the functional language Elixir,” in CODES+ISSS, 2019. • H. Takase, “Cockatrice: A Hardware Design Environment with Elixir,” ElixirConf US 2019. [video] / [slide] • H. Takase, “Towards a Hardware Synthesis Environment from the Functional Language Elixir,” ASP-DAC 2021 Designersʼ Forum. Elixirはリアルタイムアプリには向いているが， データ量が⼤きくなると性能が出ない
- 32. 32 ⽬次・内容︓ • はじめに︓⾃⼰紹介とやりたいこと ① 関数型⾔語ElixirとIoTフレームワークNervesの紹介 ② “包括的な”IoTシステム開発環境 ③ FPGAを積極活⽤する協調設計 ④ 分散型処理配置と通信ミドルウェア • おわりに︓Elixir for/with IoTの最新動向と研究の展望
- 33. 33 (Robot Operating System) • Plumbing: 出版購読型の通信ミドルウェア • Tools: プロジェクト管理，デバッグ，可視化，等 • Capabilities: 膨⼤なライブラリ・パッケージ • Ecosystem: 世界規模の強⼒なOSSコミュニティ ロボットソフトウェアの開発を加速化するプラットフォーム http://www.ros.org/about-ros/
- 34. 34 通信ミドルウェアとしての • Publish / Subscribe messaging infrastructure ROSノード︓ロボットシステムを構成する機能単位 Topicを介した出版購読型通信︓基本的に⾮同期・疎な通信⽅式 üノードの登録・変更・削除・配置が容易に実現できる ü障害時にはノード単位で再起動と復旧ができる node1 node2 node3 node4 Topic1 Topic2 node5 出版（Publish） 購読（Subscribe） msg msg msg msg • その他の通信⽅式 Service: 同期式 Action: 同期と⾮同期の組合せ Parameter: 多変量辞書
- 35. 35 再利⽤性の⾼い⾞輪としての • ROSパッケージ︓有⽤な機能がまとめられたライブラリの集合 2,000以上のパッケージが公開されている（ROSの最⼤の⻑所︕） https://index.ros.org/packages/ 利点︓既存資産として活⽤できる・パッケージ単位で差替えできる üコンポーネント指向開発を実現できる パッケージ名 内容 tf ロボットの3次元座標と連鎖関係，時間の管理 teleop ロボットの移動⽅向の操作 usb_cam USBカメラの画像の取り込み ros_control ハードウェアを抽象化したアクチュエータの制御 MoveIt マニピュレーションの制御アルゴリズム Navigation 地図ベースの⾃⼰位置推定と経路計画のアルゴリズム
- 36. 36 ROS 2 Client Library Rclex RMW (ROS MiddleWare) node.py rclpy RCL (ROS Client Library) HW node.cpp rclcpp Rclex node.ex node node node DDS B DDS A DDS (Data Distribution Service) • OMG標準仕様として規定 • 出版購読通信を提供 • ノード⾃動検出 など • 共通の基盤機能 • 実装はC⾔語 • 各⾔語から呼び出すことで ライブラリを開発可能 • DDSの通信機能を抽象化するAPI層 • 複数のDDS実装から選択可能 tlk-emb/rclex for Elixir
- 37. 37 ROS x Elixirの⽬指す貢献 Rclex Publisher ・ ・ Topic1 Subscriber ・ ・ Publisher ・ ・ Topic1 Subscriber ・ ・ Topic2 Topic3 ...Erlangプロセスに実⾏させる処理 ØElixirでErlangプロセスを 同時かつ⼤量に⽣成 Øプロセスで出版購読処理と 付随するコールバックを実⾏ l 軽量プロセスの並⾏処理で スケーラビリティを向上 l アクターモデルの ROSプログラミングへの融合 tlk-emb/rclex
- 38. 38 Erlang VM／カーネルとの関係 Rclex OS Process Space rclcpp node1 rclcpp node2 Erlang VM Rclex node1 Rclex node2 CPU process exec. queue Pub process1 Sub process1 Sub process2 ... RCL node block = Erlang resource object • OSの1プロセスとしてErlang VMが起動 • Erlangスケジューラの中でループ処理とプロセス＝ROSノードを実⾏ • プロセスが軽量︓起動時間が数マイクロ秒，メモリはおよそ300ワード RCL資源をstatic linkした 共有ライブラリをErlang NIFを 介してロード・呼び出し tlk-emb/rclex
- 39. 39 ElixirからのRCL層の呼び出し Rclex tlk-emb/rclex defmodule RclEx do @on_load :load_nifs def load_nifs do :erlang.load_nif(‘rclex',0) end def node_init do end def publish do end def subscription do end ... end RCL,RMW Elixirコードから渡された Erlangリソースオブジェクト (= 構造体分のメモリブロック) RCL内の対応する構造体 変換 →RCL APIを呼び出す Erlang NIFを介して .so をロード
- 40. 40 Rclex API(⼀部) Rclex tlk-emb/rclex 関数名/引数の数 引数 機能 rclexinit/0 - 初期化 コンテキストを有効化 create_nodes/3,4 コンテキスト, ノード名, [名前空間,] ノード数 ノード名を作成 create_publishers/3 ノードリスト, トピック, トピックの作成⽅法 パブリッシャ⽣成 publish/2 パブリッシャリスト, メッセージリスト データ出版開始 create_subscribers/3 ノードリスト, トピック, トピックの作成⽅法 サブスクライバ⽣成 subscribe/3 サブスクライバリスト, コンテキスト, コールバック データ購読開始 create_timer/3 ノードリスト, 時間, コールバック コールバック関数を 周期的に実⾏ 基本的な出版購読通信を(とりあえず)サポート
- 41. 41 Rclexノードの実装例 (topic出版) tlk-emb/rclex Rclex defmodule PubSample do def pubmain do num_node = 10 Rclex.rclexinit |> Rclex.create_nodes(’test_pub_node’,num_node) |> Rclex.create_publishers(’testtopic’, :single) |> Rclex.Timer.create_wall_timer(1000,&pub_func/1) end def pub_func (publisher_list) do n = length(publisher_list) msg_list = Rclex.initialize_msg(:string, n) Enum.map(0..n-1, fn(index)-> Rclex.setdata_string(Enum.at(msg_list,index), ”hello”, :string) end) Rclex.Publisher.publish(publisher_list,msg_list) end end ノード数 設定されたノード名にインデックスを 付けてノードを⽣成 トピックの作成 :single->1つのトピック :multi-> 複数のトピック 実⾏周期と実⾏する関数の設定 ノード数に応じた メッセージリストを⽤意 トピックへの出版
- 42. 42 現状と結果・⽅向性 • 実装環境・対象 ROS 2 Dashing Diademate / Ubuntu 18.04 Elixir 1.9.4-otp-22 / Erlang OTP 22.0.3 • 現状の評価結果 1対1通信では Rclcpp には敵わない 1対多／多対多では Rclex のスケールメリットがある üノード数／データサイズが⼤きくなっても性能／メモリ量が影響を受けない • 今後の⽅向性 機能拡充 (executor, service, action) とテストの⾃動化／容易化 IoT／クラウドロボティクス環境への適⽤評価 Rclex tlk-emb/rclex
- 43. 43 ⽬次・内容︓ • はじめに︓⾃⼰紹介とやりたいこと ① 関数型⾔語ElixirとIoTフレームワークNervesの紹介 ② “包括的な”IoTシステム開発環境 ③ FPGAを積極活⽤する協調設計 ④ 分散型処理配置と通信ミドルウェア • おわりに︓Elixir for/with IoTの最新動向と研究の展望
- 44. 44 Nx: Numerical Elixir!! Introducing Nx - José Valim | Lambda Days 2021 https://youtu.be/fPKMmJpAGWc https://dashbit.co/blog/nx-numerical- elixir-is-now-publicly-available
- 45. 45 JIT is coming to OTP!! KEYNOTE: JIT Compiler for Erlang OTP - Lukas Larsson | Code BEAM V https://youtu.be/lM7UV95Rpyo https://github.com/erlang/otp/pull/2745 https://github.com/erlang/otp/ releases/tag/OTP-24.0-rc1
- 46. 46 Nervesアプリ開発の効率化 栗林, 他︓IoTデバイス内アプリケーションの開発効率向上のためにコード の変更を動的に適⽤する⽅式の提案と実装，情報処理学会研究報告， Vol. 2021-SE-207，No. 32, 2021. [paper] [slide] 菊地︓超個体性をもったエッジコンピューティング実現に向けElixir/Nerves 環境の適合性評価，ITRC RICC-PIoT workshop 2021 [slide]
- 47. 47 おわりに • Elixir/Nervesのセカイへのご案内 • “包括的な”IoTシステム開発環境 FPGAを設計活⽤する協調設計 分散型処理配置と通信ミドルウェア üまだまだ志半ば，また来年に︕︖ • Elixirの研究，やっていきませんか︖︖ なにをやっても新しい︕まさにblue ocean!! ただし「それElixirじゃなくてもよくね︖」との闘いではある ※各⾔語・フレームワークのロゴの権利は それぞれの作成者に帰属しています SoCアーキテクチャ コンパイラ 汎⽤カーネル 通信ミドルウェア AI/MLライブラリ SoCアーキテクチャ コンパイラ リアルタイムOS 通信ミドルウェア デバイスライブラリ SoCアーキテクチャ コンパイラ インタプリタ 通信ミドルウェア 数値演算ライブラリ 構成要素を横断するIoTシステム開発技術 設計階層を縦断する最適化・実⾏環境 デバイス エッジサーバ クラウド codeで社会を変えていく
- 48. https://nerves-jp.connpass.com/ 48 Sapporo.beam れっつじょいなす︕︕
- 49. 49 ROS Japan Users Group • Discourse: https://discourse.ros.org/c/local/japan • connpass: https://rosjp.connpass.com 勉強会・講習会など 初⼼者から歴戦の猛者まで︕ 関⻄や瀬⼾内・九州でも開催︕ メンバー数 2,066名 @2021/03/03 üSlack: rosjp üTwitter: #rosjp