仮想化しても車両制御向けのリアルタイム性を確保、ハードウェアで処理時間短縮：車載半導体（1/2 ページ）

[齊藤由希，MONOist]

　ルネサス エレクトロニクスは2019年2月19日、28nmプロセスを採用した次世代車載制御用マイコンに仮想化支援機構を搭載したテストチップを開発し、最大600MHzでの動作を確認したと発表した。自動車メーカーがECU（電子制御ユニット）の機能統合を進めており、1つのマイコンにより多くの機能を搭載することが求められている。テストチップには、これに対応するための技術を搭載した。

　開発技術は、1つのマイコンで複数のECUのOSとソフトウェアを動作させるための仮想化と、自動車向けの機能安全規格ISO 26262の最も厳しい安全要求レベルASIL Dを満たすことを両立する。また、ASIL Dの実現に必要な自己故障診断機能を強化し、スタンバイ状態から復帰するまでの期間に故障診断を行えるようにした。さらに、センサーなどのデータ量増大に対応するため、車載用の5Vのトランジスタを使って伝送速度1Gbpsのギガビットイーサネットを実現した。

　ルネサスが車載制御用マイコンとして展開する「RH850シリーズ」は、その多くが動作周波数が240MHzまでのCPU2コアのプロセッサ構成であり、フラッシュメモリの容量が8MBだった。これに対しテストチップは、動作周波数600MHzのCPU4コアと、16MBの大容量フラッシュメモリを搭載している。

　開発技術は「国際固体素子回路会議 ISSCC2019（International Solid-State Circuits Conference）」（2019年2月17〜21日、米国サンフランシスコ）で発表する。

開発したテストチップの構成（クリックして拡大） 出典：ルネサス エレクトロニクス

ハードウェアがハイパーバイザーを助ける

　自動車メーカーは、開発効率の向上や今後の機能拡張、ソフトウェアアップデートのしやすさを考慮し、ECUを機能ごとに統合したアーキテクチャに移行を進めている。これまで別個のECUに持たせていた機能を1つのECUに収めるにはハイパーバイザーを用いた仮想化が必要になる。1つのCPU上に仮想マシンとしてECUが複数あり、各ECUのソフトウェアとOSをそれぞれ動作させるというものだ。

　既に、HMI（ヒューマンマシンインタフェース）ではハイパーバイザーの採用が提案されているが、ハードウェアを仮想的にエミュレートするため処理時間が増加し、車両制御向けとして採用するにはリアルタイム性に課題があった。車両制御用ECUの仮想化に向けてルネサスが開発した技術は、CPUに回路として実装された「仮想化支援機構」だ。仮想化支援機構はハイパーバイザーと併用する。

　これまでの仮想化技術では、実行する仮想マシンに合わせてCPUの情報を切り替えるコンテキストスイッチの処理時間や、割り込みイベントがどの仮想マシンに向けたものかを判断して配信を処理する時間の長さがリアルタイム性確保の課題となっていた。ルネサスが開発した仮想化支援機構は、ハイパーバイザーが担っていたコンテキストスイッチや割り込み配信処理をハードウェア側で代行する。

仮想化支援機構の役割（クリックして拡大） 出典：ルネサス エレクトロニクス

　これにより、コンテキストスイッチに要していた時間は従来比72％減に短縮した。従来、コンテキストスイッチでは、実行中と待機中の仮想マシンの情報を入れ替えることに時間を要していた。これに対し、仮想化支援機構の機能の一環でデータの読み書きを高速化することにより、コンテキストスイッチで発生する処理時間を大幅に短縮した。

　割り込み配信の処理時間はゼロにした。仮想化支援機構で自律的に割り込みイベントを配信する先を判断するためだ。実行中の仮想マシンに対する割り込みはハイパーバイザーを経由せず直接実行する。待機中の仮想マシンに対する優先度の低い割り込みは、CPU上で処理を保留する。

　仮想化支援機構に対応したハイパーバイザーは、今後サードパーティーからリリースされる。