成果報告書詳細
管理番号20160000000605
タイトル平成26年度ー平成27年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム 制御高度化により自動車等を省エネルギー化する低レイテンシコンピューティングの研究
公開日2016/7/7
報告書年度2014 - 2015
委託先名日本電気株式会社 国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P14004
部署名イノベーション推進部
和文要約件名:平成26年度ー平成27年度成果報告書「エネルギー・環境新技術先導プログラム/制御高度化により自動車等を省エネルギー化する低レイテンシコンピューティングの研究」
 
本研究開発は、エネルギー消費が多い力学的動作が伴う機械において、精緻な制御によって無駄な動作を省くことによる、省エネルギー社会の実現が目的である。その精緻な制御には判断から実行までの遅延時間の短縮、即ち低レイテンシコンピューティング技術が必要となる。そのような低レイテンシコンピューティングは、制御アルゴリズムから高位合成を経て再構成可能回路へ実装するための自動設計フローにより実現できる見通しを得た。また、従来型の再構成可能回路が持つ課題は、原子スイッチ技術によって解決できる見通しを得た。具体的な成果は下記のとおり。
・リアルタイム制御に用いられているマイコンを再構成可能回路(FPGA)に置き換えるために、既存の高位合成ツールの改造を行った。高位合成ツールおよび原子スイッチFPGAのマッピングツールを接続し、Cプログラムからコンフィグデータを生成し、原子スイッチFPGAへ書き込みを確認した。また、原子スイッチ対応のSTAツールを作成、性能予測が容易になり設計最適化ができるようになった。
・低抵抗な信号線切替スイッチを実現できる原子スイッチ素子の特徴を活かし、浮動小数点データのためのスイッチブロック等の構成方式の研究において、最適構成では、浮動小数点データ経路のレイテンシが既存のFPGAに対し1/2以下になる見通しを得た。
・MIPS プロセッサで動作する画像処理プログラムをバイナリ合成でハードウェア化し市販 FPGA に搭載すると、プロセッサの 1.4倍の規模のハードウェア回路で 6.2倍の高速化が達成され、低レイテンシ化できる事を確認した。
・既開発のロボットのモータセンサシリアライズ基板に用いている市販FPGAと原子スイッチ技術との比較評価を行った。その結果、原子スイッチFPGAは、大出力ヒューマノイド用として十分な温度耐性を持つこと、80%消費電力が低いこと、電源にノイズを印加した場合でも問題なく動作することを確認できた。動作可能最高周波数については、従来基板が170[MHz]であるのに対して、原子スイッチFPGA適用基板では70[MHz]であった。原因としてはI/O部の設計仕様が高速動作に対応していなかったということ、合成ツールが高速動作に最適化されていないことが考えられた。
・人工衛星あかつきでの処理を想定したボードで、光学センサの画素毎の感度特性補正処理を30ミリ秒以下でリアルタイムに処理できることが実証できた。
・リアルタイム性能とセキュリティ強化機能を具備した制御システム向け仮想マシンを開発し、セキュリティ強化機能によるレイテンシ増加を1マイクロ秒以下に抑えられる見通しを得た。
・自動車ECUにおける例題の処理を入出力部分、時刻同期演算部分とそれ以外の部分に分割し直し、入出力部分と時刻同期演算部分を主に原子スイッチFPGAへ割り当てただけでは、最新のコンピューティング技術との比較では8倍程度となり、目標の10倍に届かないことが分かった。更にCMOS Logicで構成した演算器を原子スイッチFPGAに混載すれば従来比20倍の性能、従来技術の進化分を織り込んでも10倍以上の性能が実現できる見通しを得た。
・製造プロセスの変更により、原子スイッチに用いられる固体電解質の耐熱性を400℃以上に高めることができた。これにより、絶縁破壊電圧を向上し、オフ状態のリーク電流を低減した。
・原子スイッチFPGAの熱安定を評価するため、冷熱衝撃サイクル試験(-65/150℃間を1,000サイクル)を実施したところ、試験前後で信号遅延等の変化がなく安定した動作が確認された。
英文要約Title: Advanced Research Program for Energy and Environmental Technologies / ”Research and development on low-latency computing to reduce energy consumption of driven machines such as automobiles with elaborated control,”(FY2014 - FY2015) Final Report

Objective of the research is to make energy consumption of our society ultimately efficient by elaborated control of machine which consumes large energy arising from physical movements. The elaborated control, resulting in eliminating a wasteful movement, is realized by a low latency computing. In this project, we demonstrated two perspectives. One is that the low latency computing will be realized by an automated design flow from the control algorithm written in C language to the configuration data of reconfigurable LSI, using a high-level synthesis tool. The other is that atom-switch based reconfigurable circuits will resolve the existing challenges of normal FPGAs. Details are indicated in the following.
A conventional high-level synthesis tool was remodeled for real time processing. By combining a high-level synthesis tool and a mapping tool of atom-switch FPGA, the configuration data was generated from a C program and the programming of the atom-switch FPGA was confirmed. An STA tool for atom-switch FPGA was also created. Latency on the floating-point operation in atom-switch FPGA was estimated to be half, compared with a conventional FPGA when the architecture of switch block was developed by using the advantage of low ON resistance of atom switch. When the image processing on MIPS processor was implemented to an FPGA by a binary synthesis, the circuit area is increased by 1.4 times but the execution
time was reduced by 6.2 times, compared to the processor. The atom-switch FPGA was compared to the conventional FPGA in the motor sensor-signal serializing board used in a humanoid robot. As a result, atom-switch FPGA shows has a good temperature tolerance for high power humanoids, the 80% reduction in power consumption, and the wide margin of the operation voltage against voltage noise.The evaluation board was developed to execute a processing equivalent to infrared sensor sensitivity property correction of the explorer AKARTSUKI. An atom-switch FPGA performed less than 30 milliseconds of real time processing.A virtual machine for control system equipped with the security reinforcement function was developed.
As a result, the latency increase due to the security reinforcement function is expected to be less than 1 microsecond by using an atom switch FPGA. Task flow as an example processing in ECUs was redesigned. The IO operation and arithmetic processing were assigned for an atom-switch FPGA. By adopting hybrid structure of CMOS arithmetic unit and atom switch reconfigurable circuit unit the performance is estimated to become 20 times higher than that of conventional technology. Temperature resistance of the polymer solid electrolyte in atom switch was improved in 400℃. As a result, the improvement of break down voltage and the reduction in the leakage current are achieved. The impact of thermal cycle was conducted
to evaluate the thermal stability of atom-switch FPGAs. Normal FPGA operation was confirmed after the impact.
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