XANDAR versnelt codegeneratie voor veiligheidskritieke multi-core-systemen

De volgende generatie genetworkde embedded-systemen eist snelle prototyping en hoge prestaties zonder ooit in te boeten op betrouwbaarheid of veiligheid. Toch blijft het deployen van veiligheidskritieke embedded-software gehinderd door complexe toolchains en ingewikkelde engineering-processen. De opkomst van autonoom systemen die machine learning en kunstmatige intelligentie combineren met fail-operational-eisen, verergeren de uitdaging van verificatie en validatie alleen.

Om deze obstakels aan te pakken, levert het driejarige EU Horizon 2020-project XANDAR een volledig geïntegreerde software-toolchain – van eisenvastlegging tot code-integratie op target-hardware – compleet met verificatie en validatie. Het doel is om snelle prototyping van interoperabele, autonoom embedded-systemen te ermöglichen zonder veiligheid of beveiliging te offeren.

Gebouwd op een model-gebaseerde systeemarchitectuur, introduceert XANDAR nieuwe automatische model-synthese en software-parallelisatietechnieken die strikte non-functionele eisen voldoen. Dit werk legt de basis voor een nieuwe real-time, veiligheids- en beveiligings-door-constructie-paradigma, bekend als X-by-Construction (XbC).

De Multi-Core-uitdaging in veiligheidskritieke omgevingen

Parallelle verwerking heeft multi-core-architecturen alomtegenwoordig gemaakt over toepassingsdomeinen. Het programmeren van deze systemen – vooral het synchroniseren van threads en het vermijden van race-conditions – blijft echter moeilijk. Parallelle compilers, domein-specifieke talen, en evoluerende ontwikkelaarservaring hebben de last verlicht, maar in veiligheidskritieke domeinen zoals automotive en aerospace, blijven verificatie en bewijs van foutloze werking cruciaal, wat botst met de toegevoegde complexiteit van multi-core-programmering.

Model-gebaseerd ontwerp kan deze kloof overbruggen door ontwikkelaars toe te staan low-level details te abstracteren terwijl ze nog steeds modelleren, simuleren, en code genereren voor embedded-functies. Deze hogere-niveau benadering heeft adoptie gedreven in aerospace, automotive, en procesindustrieën, wat resulteert in snellere ontwikkelcycli en lagere kosten.

Ondanks de sterktes, is model-gebaseerd ontwerp vaak beperkt tot vroege systeemspecificatie en architectuurverkenning; de finale software voor veiligheidskritieke systemen wordt nog vaak handmatig gecodeerd. Projecten zoals ARGO hebben WCET-aware codegeneratie geïntroduceerd, en model-gebaseerde systems-engineering is toegepast op elektrisch/elektronische architecturen door abstractielaag en viewpoints te lagen. Deze vooruitgang vereist nog steeds handmatige cross-domein-integratie en lijdt onder foutgevoelige import/export-workflows.

Huidig onderzoek verrijkt architectuurmodellen typisch met eenvoudige finite-state-machine-beschrijvingen en genereert uitvoerbare specificaties voor simulatie-gebaseerde verificatie. Toch is een werkelijk holistische omgeving – die gedistribueerde genetworkde architectuur, geïntegreerd gedragsmodellering, cross-laag-simulatie, verificatie, en codegeneratie dekt – nog niet gerealiseerd.

XANDAR streeft ernaar deze leegte te vullen. De codegenerator zal XbC-garanties handhaven, alle non-functionele eigenschappen van het invoermodel behoudend. Innovaties omvatten platform-agnostische codegeneratie, monitoring runnables voor kritieke diensten, en non-deterministische accelerators afgestemd op AI- en ML-workloads.

Dit vereist geautomatiseerde beslissingsalgoritmen, formele checks, en optimalisaties die real-time-prestaties, energie-efficiëntie, non-functionele garanties, en runtime-flexibiliteit balanceren. Hoogwaardige codegenerators die co-optimaliseren over deze dimensies, zullen gespecialiseerde, cutting-edge-oplossingen vereisen.

XANDAR Consortium Partners

Het XANDAR-programma loopt tot december 2023 en wordt gefinancierd met €5 miljoen onder Horizon 2020. Het consortium – geleid door Professor Jürgen Becker van het Karlsruhe Institute of Technology – brengt industrie en academie samen:

• Karlsruhe Institute of Technology (Duitsland)
• University of Peloponnese (Griekenland)
• German Aerospace Center
• AVN Innovative Technology Solutions Ltd (Cyprus)
• Vector Informatik GmbH (Duitsland)
• Queen's University Belfast (Noord-Ierland)
• BMW Group (Duitsland)
• fentISS (Spanje)

Vector, een van de acht partners, bijdraagt zijn embedded-software-expertise en zijn high-performance-ontwikkelomgevingen PREEvision en de TA Tool Suite.

PREEvision stelt collaboratieve, model-gebaseerde specificatie van verbonden embedded-systemen in met duidelijke semantiek die alle systeemmaten overspant. De TA Tool Suite ondersteunt specificatie, simulatie, en validatie van het timing-gedrag van complexe real-time-systemen. Samen vormen ze de fundering voor X-by-Construction-ontwerp in XANDAR.