博 士 論 文 概 要
論 文 題 目
マルチコアプロセッサ上での モデルベース開発ソフトウェアの
自動並列化に関する研究
Studies on Automatic Parallelization for Model-Based Development Software
on Multicore Processors
申 請 者
梅田 弾
Dan UMEDA
情報理工学専攻
アドバンスト・コンピューティング・システム研究
2015 年 12 月
No.1
近 年 の 自 動 車 分 野 や 航 空 機 分 野 ， 医 療 分 野 等 の 組 み 込 み シ ス テ ム で は ， 様 々 な 機 能 拡 張 に 伴 う ソ フ ト ウ ェ ア の 複 雑 化 ・ 大 規 模 化 が 顕 著 で あ る ． 例 え ば ， 自 動 車 分 野 で は よ り 安 全 で ， よ り 低 燃 費 で 環 境 適 合 性 の 高 い 自 動 車 を 目 指 し て ， ガ ソ リ ン エ ン ジ ン 制 御 の 低 燃 費 化 に 加 え て ， 電 気 自 動 車 の た め の モ ー タ 制 御 ， 運 転 支 援 の た め の A D A S ( A d v a n c e d D r i v e r As s i s t a nc e S ys t e m s )， 自 動 走 行 制 御 等 を 実 現 す る ソ フ ト ウ ェ ア の 開 発 が 進 ん で い る ． そ の た め ， ソ フ ト ウ ェ ア が 大 規 模 化 し ， 現 在 で は 自 動 車 一 台 あ た り の ソ フ ト ウ ェ ア の 行 数 が 数 千 万 行 以 上 に 上 っ て い る と 言 わ れ て い る ． こ の よ う な 複 雑 な 組 み 込 み ソ フ ト ウ ェ ア を よ り 短 い 期 間 で 信 頼 性 高 く 開 発 す る た め に ， モ デ ル ベ ー ス 開 発 が 普 及 し 始 め て い る ． モ デ ル ベ ー ス 開 発 は モ デ リ ン グ を 通 し て ， 設 計 ， 実 装 ， 検 証 を 一 貫 し て 行 う ソ フ ト ウ ェ ア の 開 発 手 法 で あ る ． 特 に ， 自 動 車 分 野 で は 従 来 か ら M AT L A B / S i m u l i n k に よ る モ デ ル ベ ー ス 開 発 が デ フ ァ ク ト ス タ ン ダ ー ド ツ ー ル と し て 用 い ら れ ， エ ン ジ ン 制 御 等 の リ ア ル タ イ ム 制 御 シ ス テ ム の ソ フ ト ウ ェ ア 開 発 効 率 の 改 善 に 大 き く 貢 献 し て い る ． こ の M AT L A B / S i m u l i n k で は ブ ロ ッ ク 線 図 か ら 構 成 さ れ た モ デ ル で ア ル ゴ リ ズ ム を 設 計 後 ， 自 動 コ ー ド 生 成 ツ ー ル を 使 っ て ，C ソ ー ス コ ー ド を 自 動 生 成 で き る よ う に な っ て い る ． そ の た め ， こ の よ う な モ デ ル ベ ー ス 開 発 で は ソ フ ト ウ ェ ア の 実 装 工 程 で 開 発 者 に よ る コ ー デ ィ ン グ 作 業 が 不 要 と な っ て い る ． 一 方 ， こ れ ら の 複 雑 化 し た 機 能 を 組 み 込 み プ ロ セ ッ サ で リ ア ル タ イ ム に 実 現 す る た め に ， プ ロ セ ッ サ の 高 速 化 が 必 要 不 可 欠 と な っ て い る ． し か し な が ら ， 現 時 点 で 消 費 電 力 の 面 か ら 組 み 込 み プ ロ セ ッ サ の 動 作 周 波 数 の 向 上 に よ る 高 速 化 に 限 界 が 訪 れ て お り ， シ ン グ ル コ ア プ ロ セ ッ サ で は 今 後 の 組 み 込 み シ ス テ ム の リ ア ル タ イ ム 制 御 の 実 現 が 難 し く な っ て い く と 考 え ら れ る ． そ の た め ， パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ や 携 帯 電 話 等 の 情 報 機 器 に マ ル チ コ ア プ ロ セ ッ サ が 使 わ れ て き た よ う に ， 信 頼 性 が 要 求 さ れ る 自 動 車 分 野 や 航 空 機 分 野 ， 医 療 分 野 等 の 組 み 込 み シ ス テ ム に も マ ル チ コ ア プ ロ セ ッ サ の 導 入 が 期 待 さ れ 始 め て い る ． 一 方 ， マ ル チ コ ア を 有 効 利 用 す る に は タ ー ゲ ッ ト と な る マ ル チ コ ア プ ロ セ ッ サ に 最 適 な プ ロ グ ラ ム の 並 列 化 を 要 す る ． し か し な が ら ， 現 状 の モ デ ル ベ ー ス 開 発 の 自 動 コ ー ド 生 成 ツ ー ル は マ ル チ コ ア プ ロ セ ッ サ 向 け に 自 動 並 列 化 す る ま で に は 至 っ て い な い ． そ の た め ， 自 動 生 成 さ れ る ソ ー ス コ ー ド を 開 発 者 が 手 動 に よ り 並 列 化 す る 必 要 が あ り ， 今 後 の 複 雑 で 高 性 能 な 組 み 込 み ソ フ ト ウ ェ ア の 開 発 効 率 を 低 下 し て し ま う 可 能 性 が あ る ． そ こ で ， 組 み 込 み ソ フ ト ウ ェ ア 開 発 に お い て ，高 信 頼 で 高 性 能 な ソ フ ト ウ ェ ア を 実 現 す る た め に ， モ デ ル ベ ー ス 開 発 ソ フ ト ウ ェ ア を 自 動 並 列 化 す る 技 術 が 有 用 と な っ て い る ．
こ れ ら を 踏 ま え て ， 本 論 文 で は 次 世 代 の モ デ ル ベ ー ス 開 発 さ れ た ソ フ ト ウ ェ ア を マ ル チ コ ア 上 で 並 列 実 行 す る た め の 自 動 並 列 化 手 法 を 提 案 す る ． ま た ， 提 案 手 法 を モ デ ル ベ ー ス 開 発 さ れ た ソ フ ト ウ ェ ア に 適 用 し ， 本 手 法 の 有 効 性 と 有 用 性 を 示 す ．
No.2
本 論 文 は 5 章 か ら 構 成 さ れ る ． 以 下 に 各 章 の 概 要 を 示 す ．
第 1 章 「 序 論 」 で は ， 本 研 究 の 目 的 と そ の 研 究 背 景 に つ い て 述 べ る ． 本 章 で は ， 近 年 の 複 雑 化 し た ソ フ ト ウ ェ ア に 言 及 し ， 組 み 込 み ソ フ ト ウ ェ ア 分 野 で 普 及 し て い る モ デ ル ベ ー ス 開 発 で 自 動 生 成 さ れ た ソ フ ト ウ ェ ア の マ ル チ コ ア プ ロ セ ッ サ 向 け 自 動 並 列 化 技 術 の 重 要 性 に つ い て 述 べ る ． ま た ， モ デ ル ベ ー ス 開 発 さ れ た ソ フ ト ウ ェ ア の 並 列 化 に 必 要 な 要 素 技 術 の 概 要 に つ い て 述 べ る ．
第 2 章 「 マ ル チ コ ア 上 の モ デ ル ベ ー ス 開 発 ソ フ ト ウ ェ ア 」 で は モ デ ル ベ ー ス 開 発 の 概 要 に つ い て 述 べ る ．M AT L A B / S i m u l i nk を 代 表 し た モ デ ル ベ ー ス 開 発 で は モ デ ル 上 で 設 計 か ら 実 装 ，検 証 ま で を 一 貫 し て 行 い ，ソ フ ト ウ ェ ア の 開 発 を 行 う ． 特 に ， 実 装 工 程 で は 自 動 コ ー ド 生 成 ツ ー ル を 使 っ て ， 設 計 モ デ ル か ら C ソ ー ス コ ー ド を 自 動 生 成 す る ． し か し な が ら ， 現 時 点 で は こ の C ソ ー ス コ ー ド は シ ン グ ル コ ア プ ロ セ ッ サ 向 け で ， マ ル チ コ ア プ ロ セ ッ サ を 自 動 で サ ポ ー ト す る ま で に 至 っ て い な い ． そ こ で ， 従 来 研 究 で は ， モ デ ル と 生 成 コ ー ド の 並 列 性 が 1 対 1 対 応 し て い る と 仮 定 し ， 機 能 レ ベ ル や 方 程 式 レ ベ ル ， ブ ロ ッ ク レ ベ ル で 並 列 化 を す る 試 み が な さ れ て い た ． そ の た め ， モ デ ル の 結 線 を 依 存 関 係 に 見 立 て て ， モ デ ル 内 の ブ ロ ッ ク 間 の 並 列 性 の 抽 出 す る こ と が 可 能 と な っ て い る ． し か し ， 従 来 研 究 で は い ず れ も ， 実 現 で き る 並 列 性 能 が モ デ ル 内 に 現 れ る 並 列 性 に 限 定 さ れ ， モ デ ル か ら 自 動 生 成 さ れ る C ソ ー ス コ ー ド 全 体 で 並 列 化 す る ま で に は 至 っ て い な い ．マ ル チ コ ア プ ロ セ ッ サ 上 で ， モ デ ル ベ ー ス 開 発 ソ フ ト ウ ェ ア に 関 し て ， 最 大 限 の 並 列 性 能 を 得 る た め に は ， よ り タ ー ゲ ッ ト ハ ー ド ウ ェ ア の 記 述 に 近 い 自 動 生 成 さ れ た C ソ ー ス コ ー ド 全 体 か ら 並 列 化 す る 必 要 が あ る ．
第 3 章 「 モ デ ル ベ ー ス 開 発 さ れ た リ ア ル タ イ ム 制 御 ソ フ ト ウ ェ ア の 粗 粒 度 タ ス ク 並 列 処 理 」 で は ， モ デ ル ベ ー ス 開 発 さ れ た リ ア ル タ イ ム 制 御 ソ フ ト ウ ェ ア の 並 列 化 手 法 に つ い て 述 べ る ． モ デ ル ベ ー ス 開 発 で は ブ ロ ッ ク 線 図 を 用 い て ソ フ ト ウ ェ ア の 設 計 を 行 う ． そ の 後 ， 各 ブ ロ ッ ク 機 能 は 自 動 コ ー ド 生 成 ツ ー ル に よ り 対 応 す る 処 理 の ソ ー ス コ ー ド に 変 換 さ れ る た め ， 生 成 さ れ た プ ロ グ ラ ム は 代 入 文 ， 条 件 分 岐 や 関 数 呼 び 出 し 等 の 細 か な 処 理 か ら 構 成 さ れ る よ う に な る ． そ の た め ， 従 来 か ら 科 学 技 術 計 算 等 の 並 列 化 で 行 わ れ て き た ル ー プ 並 列 化 が 適 用 で き な い と い う 問 題 が 存 在 す る ． そ こ で ， 条 件 分 岐 や 代 入 文 ， 関 数 等 の 粗 粒 度 タ ス ク 間 の 並 列 性 に 着 目 し て ，O S C A R自 動 並 列 化 コ ン パ イ ラ の 粗 粒 度 タ ス ク 並 列 化 を 適 用 す る ． 本 手 法 で は モ デ ル ベ ー ス 開 発 で 自 動 生 成 さ れ た ソ ー ス コ ー ド か ら 最 大 限 の 粗 粒 度 タ ス ク 並 列 性 を 抽 出 す る た め の 一 時 変 数 の リ ネ ー ミ ン グ や 関 数 の イ ン ラ イ ン 展 開 を 行 う ． 一 時 変 数 の リ ネ ー ミ ン グ で は 変 数 の 使 い 回 し に よ り ， 粗 粒 度 タ ス ク 並 列 性 を 阻 害 す る 一 時 変 数 を コ ン パ イ ラ の 生 死 解 析 情 報 か ら リ ネ ー ミ ン グ す る ． イ ン ラ イ ン 展 開 で は 粗 粒 度 タ ス ク 間 の デ ー タ 依 存 と 制 御 依 存 を 表 す マ ク ロ タ ス ク グ ラ フ の ク リ テ ィ カ ル パ ス 上 に あ る 関 数 に 着 目 し て ， 階 層 的 な 並 列 性 を 上 位 階 層 に 引
No.3
き 出 す ． ま た ， こ の よ う な リ ア ル タ イ ム 制 御 ソ フ ト ウ ェ ア は 条 件 分 岐 に よ る 実 行 時 非 決 定 性 を 持 つ た め ， 並 列 タ ス ク を 静 的 に プ ロ セ ッ サ コ ア に 割 り 当 て る ス タ テ ィ ッ ク ス ケ ジ ュ ー リ ン グ を そ の ま ま で は 適 用 す る こ と が で き な い ． 一 方 ， 並 列 タ ス ク を 実 行 時 に プ ロ セ ッ サ コ ア に 割 り 当 て る ダ イ ナ ミ ッ ク ス ケ ジ ュ ー リ ン グ を 用 い る 場 合 に は ， 実 行 時 オ ー バ ー ヘ ッ ド を 要 す る ． そ の た め ， 今 回 対 象 と す る 実 行 粒 度 の 細 か な プ ロ グ ラ ム で は こ の 実 行 時 オ ー バ ー ヘ ッ ド が 許 容 で き な い ．そ こ で ， 条 件 分 岐 を 持 つ タ ス ク を 実 行 時 オ ー バ ー ヘ ッ ド の な い ス タ テ ィ ッ ク ス ケ ジ ュ ー リ ン グ で き る よ う に マ ク ロ タ ス ク 融 合 を 行 い ， プ ロ グ ラ ム 構 造 か ら 条 件 分 岐 を 隠 蔽 す る ． さ ら に は ， 車 載 制 御 プ ロ セ ッ サ が 持 つ 小 容 量 で 高 速 ア ク セ ス 可 能 な ロ ー カ ル メ モ リ を 有 効 利 用 す る た め に ， ア ク セ ス 頻 度 に 基 づ く 自 動 ロ ー カ ル メ モ リ 割 り 当 て を 行 い ， メ モ リ ア ク セ ス の レ イ テ ン シ 削 減 を 行 う ． 提 案 手 法 の 評 価 で は ， モ デ ル ベ ー ス 開 発 で 自 動 生 成 さ れ た 基 本 的 な エ ン ジ ン 制 御 と 燃 料 噴 射 制 御 ソ フ ト ウ ェ ア に 対 し て ，提 案 手 法 を 適 用 し た ．そ の 結 果 ，情 報 家 電 用 マ ル チ コ ア R P 2 上 で は ， 各 ソ フ ト ウ ェ ア の 逐 次 実 行 と 比 較 し て ， 基 本 的 な エ ン ジ ン 制 御 ソ フ ト ウ ェ ア 関 し て は 2 コ ア を 用 い 1 . 89 倍 ， 燃 料 噴 射 制 御 ソ フ ト ウ ェ ア に 関 し て は 4 コ ア を
使 い 3 . 7 6 倍 の 性 能 向 上 が 得 ら れ た ．ま た ，エ ン ジ ン 制 御 向 け の マ ル チ コ ア プ ロ セ
ッ サ V 8 5 0 E 2 R で は ， 基 本 的 な エ ン ジ ン 制 御 ソ フ ト ウ ェ ア 関 し て は 2 コ ア を 用 い
1. 9 1 倍 ， 燃 料 噴 射 制 御 ソ フ ト ウ ェ ア に 関 し て は 2 コ ア を 使 い 1 . 7 9 倍 の 性 能 向 上
が 得 ら れ た ． こ れ に よ り ， 条 件 分 岐 や 代 入 文 等 に よ り 構 成 さ れ ， 粒 度 が 細 か く ， 従 来 並 列 化 に よ る 性 能 向 上 が 困 難 で あ っ た モ デ ル ベ ー ス 開 発 さ れ た リ ア ル タ イ ム 制 御 ソ フ ト ウ ェ ア の 性 能 向 上 が 確 認 で き た ．
第 4 章 「 モ デ ル ベ ー ス 開 発 ソ フ ト ウ ェ ア の マ ル チ グ レ イ ン 並 列 処 理 の 応 用 」 で は マ ル チ グ レ イ ン 並 列 化 技 術 を 応 用 し て ， モ デ ル ベ ー ス 開 発 さ れ た 様 々 な 認 識 系 ソ フ ト ウ ェ ア の 並 列 化 を 4 コ ア と 6 コ ア の マ ル チ コ ア プ ロ セ ッ サ 上 で 行 う ． 本 章 で は ， 道 路 追 従 ， 血 管 抽 出 ， 異 常 検 出 ソ フ ト ウ ェ ア の マ ル チ グ レ イ ン 並 列 化 を 行 っ た 結 果 に つ い て 述 べ る ．A R M C o r t e x - A 1 5 の 4 コ ア 上 で は ， 各 ソ フ ト ウ ェ ア の 逐 次 実 行 と 比 較 し て ，道 路 追 従 ソ フ ト ウ ェ ア に お い て 3 . 3 8 倍 ，血 管 抽 出 ソ フ ト ウ ェ ア に お い て 3 . 5 6 倍 ， 異 常 検 出 ソ フ ト ウ ェ ア に お い て 3 . 2 4 倍 の 性 能 向 上 が 得 ら れ た ． さ ら に は ，I n t e l X e o n X 5 6 7 0 の 6 コ ア 上 で は ， 各 ソ フ ト ウ ェ ア の 逐 次 実 行 と 比 較 し て ，道 路 追 従 ソ フ ト ウ ェ ア に お い て 4 . 2 1 倍 ，血 管 抽 出 ソ フ ト ウ ェ ア に お
い て 5 . 8 0 倍 ， 異 常 検 出 ソ フ ト ウ ェ ア に お い て 4 . 1 0 倍 の 性 能 向 上 が 得 ら れ た ． ま
た ， マ ル チ グ レ イ ン 並 列 化 に よ る 実 行 で は 実 行 時 間 の バ ラ つ き が 抑 え ら れ ， 安 定 し た 実 行 が 可 能 と な っ た ． こ れ ら に よ り ， 様 々 な 実 用 的 な モ デ ル ベ ー ス 開 発 ソ フ ト ウ ェ ア を サ ー バ 用 と 組 み 込 み 用 の 異 な る マ ル チ コ ア ア ー キ テ ク チ ャ 上 で ， マ ル チ グ レ イ ン 並 列 化 に よ る さ ら な る 性 能 向 上 が 実 現 し た ．
第 5 章「 結 論 」で は ，本 研 究 に よ り 得 ら れ た 成 果 と 今 後 の 課 題 に つ い て 述 べ る ．
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
氏 名 梅田 弾 印
（2015 年 11 月 現在）
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
論文
〇
〇
〇
シ ン ポ ジ ウム(査読 あり)
講演 (研究会)
Dan Umeda, Takahiro Suzuki, Hiroki Mikami, Keiji Kimura and Hironori Kasahara,
"Multigrain Parallelization for Model-based Design Applications Using the OSCAR Compiler", Proc. of The 28nd International Workshop on Languages and Compilers for Parallel Computing (LCPC2015), Sep. 2015.
梅田弾, 金羽木洋平, 見神広紀, 林明宏, 谷充弘, 森裕司, 木村啓二, 笠原博徳,
"MATLAB/Simulink で設計されたエンジン制御 C コードのマルチコア用自動並列化", 情報 処理学会論文誌組込みシステム工学, Vol. 55, No. 8, pp.1817-1829, Aug. 2014.
梅田弾, 鈴木貴広, 見神広紀, 木村啓二, 笠原博徳, "組み込み向けモデルベース開発ア プリケーションのプロファイル情報を用いたマルチコア用マルチグレイン並列処理", 情 報処理学会論文誌組込みシステム工学. (掲載決定)
Dan Umeda, Yohei Kanehagi, Hiroki Mikami, Akihiro Hayashi, Keiji Kimura, Hironori Kasahara,"Automatic Parallelization of Hand Written Automotive Engine Control Codes Using OSCAR Compiler", 17th Workshop on Compilers for Parallel Computing (CPC2013), Lyon, France, Jul. 2013.
Yohei Kanehagi, Dan Umeda, Akihiro Hayashi, Keiji Kimura, Hironori Kasahara,
"Parallelization of Automotive Engine Control Software On Embedded Multi-core Processor Using OSCAR Compiler", COOL Chips XVI, IEEE Symposium on Low Power and High-Speed Chips, Apr. 2013.
梅田弾, 金羽木洋平, 見神広紀, 林明宏, 谷充弘, 森裕司, 木村啓二, 笠原博徳,"モデ ルベース設計により自動生成されたエンジン制御 C コードのマルチコア用自動並列化", 組込みシステム シンポジウム (ESS2013), pp.104-113, Oct. 2013.
梅田弾, 鈴木貴広, 見神広紀, 木村啓二, 笠原博徳, "モデルベース開発向け画像処理ソ フトウェアの並列化フレームワーク", 情報処理学会第 38 回組み込みシステム研究会 (EMB2015), Vol.2015-EMB-38 No.4, Aug. 2015.
金羽木洋平, 梅田弾, 見神広紀, 林明宏, 沢田光男, 木村 啓二, 笠原博徳, "自動車エ ンジン制御ソフトウェアにおけるマルチコア上での並列処理", 情報処理学会 第 195 回 計算機アーキテクチャ研究発表会, Vol.2013-ARC-203 No.2, Jan. 2013.
梅田弾, 金羽木洋平, 見神広紀, 林明宏 谷充弘, 森裕司, 木村啓二, 笠原博徳, "エン ジン基本制御ソフトウェアモデルのマルチコア上での並列処理", 情報処理学会 第 193 回計算機アーキテクチャ研究会 (SWoPP2012) Vol.2012-ARC-201 No.22, Aug. 2012.
Ｎｏ.
2早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
氏 名 梅田 弾 印
（2015 年 11 月 現在）
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
その他
（特許）
(受賞)
「並列化コンパイル方法，並列化コンパイラ，並列化コンパイル装置，及び，車載装置」
2015/1807,jan.5.2015. (公開)
「並列性の抽出方法及びプログラムの作成方法」WO/2014/115613, July. 31.2014. (公 開)
「並列性の抽出方法及びプログラムの作成方法」2014/160453,Sep.4.2014. (公開)
梅田 弾, "情報処理学会コンピュータサイエンス領域奨励賞",July 18,2014
梅田 弾, "情報処理学会 組み込みシステムシンポジウム 2013 奨励賞", Oct. 2013.
金羽木 洋平, 梅田 弾, 見神 広紀, 林 明宏, 沢田 光男, 木村 啓二, 笠原 博徳, "電 子情報通信学会 集積回路研究会 研究会優秀若手講演賞", May. 2013.
