XANDAR acelera la generación de código para sistemas multi-núcleo críticos para la seguridad

La próxima generación de sistemas embebidos en red demanda prototipado rápido y alto rendimiento sin comprometer nunca la confianza o la seguridad. Sin embargo, el despliegue de software embebido crítico para la seguridad sigue obstaculizado por cadenas de herramientas complejas e intrincados procesos de ingeniería. El auge de sistemas autónomos que combinan aprendizaje automático e inteligencia artificial con requisitos fail-operational solo aumenta el desafío de verificación y validación.

Para abordar estos obstáculos, el proyecto de tres años EU Horizon 2020 XANDAR está entregando una cadena de herramientas de software totalmente integrada, desde la captura de requisitos hasta la integración de código en hardware objetivo, completa con verificación y validación. El objetivo es permitir el prototipado rápido de sistemas embebidos autónomos interoperables sin sacrificar seguridad ni protección.

Basándose en una arquitectura de sistema basada en modelos, XANDAR introduce novedosas técnicas de síntesis automática de modelos y paralelización de software que cumplen requisitos no funcionales estrictos. Este trabajo sienta las bases para un nuevo paradigma de tiempo real, seguridad y seguridad por construcción, conocido como X-by-Construction (XbC).

El desafío multi-núcleo en entornos críticos para la seguridad

El procesamiento paralelo ha hecho que las arquitecturas multi-núcleo sean ubicuas en todos los dominios de aplicación. Sin embargo, programar estos sistemas, especialmente sincronizar hilos y evitar condiciones de carrera, sigue siendo difícil. Compiladores paralelos, lenguajes específicos de dominio y la experiencia evolutiva de los desarrolladores han aliviado la carga, pero en dominios críticos para la seguridad como automotriz y aeroespacial, la verificación y prueba de operación libre de errores siguen siendo primordiales, chocando con la complejidad añadida de la programación multi-núcleo.

El diseño basado en modelos puede cerrar esta brecha al permitir a los desarrolladores abstraer detalles de bajo nivel mientras aún modelan, simulan y generan código para funciones embebidas. Este enfoque de alto nivel ha impulsado la adopción en aeroespacial, automotriz e industrias de proceso, produciendo ciclos de desarrollo más rápidos y costos más bajos.

A pesar de sus fortalezas, el diseño basado en modelos a menudo se limita a la especificación temprana del sistema y exploración de arquitectura; el software final para sistemas críticos para la seguridad aún se codifica frecuentemente a mano. Proyectos como ARGO han introducido generación de código consciente de WCET, y la ingeniería de sistemas basada en modelos se ha aplicado a arquitecturas eléctricas/electrónicas mediante capas de abstracción y puntos de vista. Estos avances, sin embargo, aún requieren integración manual cross-domain y sufren de flujos de trabajo de importación/exportación propensos a errores.

La investigación actual típicamente aumenta modelos arquitectónicos con descripciones simples de máquinas de estados finitos y genera especificaciones ejecutables para verificación basada en simulación. Sin embargo, un entorno verdaderamente holístico, que cubra arquitectura de red distribuida, modelado de comportamiento integrado, simulación cross-capa, verificación y generación de código, aún no se ha realizado.

XANDAR tiene como objetivo llenar este vacío. Su generador de código mantendrá garantías XbC, preservando todas las propiedades no funcionales del modelo de entrada. Las innovaciones incluyen generación de código agnóstica de plataforma, runnables de monitoreo para servicios críticos y aceleradores no deterministas adaptados a cargas de trabajo de IA y ML.

Lograr esto requiere algoritmos de decisión automatizados, comprobaciones formales y optimizaciones que equilibren rendimiento en tiempo real, eficiencia energética, garantías no funcionales y flexibilidad en tiempo de ejecución. Generadores de código de alta calidad que co-optimicen a través de estas dimensiones demandarán soluciones especializadas y de vanguardia.

Socios del consorcio XANDAR

El programa XANDAR se extiende hasta diciembre de 2023 y está financiado con 5 millones de euros bajo Horizon 2020. El consorcio, liderado por el Profesor Jürgen Becker del Instituto de Tecnología de Karlsruhe, reúne industria y academia:

• Karlsruhe Institute of Technology (Alemania)
• University of Peloponnese (Grecia)
• German Aerospace Center
• AVN Innovative Technology Solutions Ltd (Chipre)
• Vector Informatik GmbH (Alemania)
• Queen's University Belfast (Irlanda del Norte)
• BMW Group (Alemania)
• fentISS (España)

Vector, uno de los ocho socios, contribuye con su experiencia en software embebido y sus entornos de desarrollo de alto rendimiento PREEvision y TA Tool Suite.

PREEvision permite la especificación colaborativa basada en modelos de sistemas embebidos conectados con semántica clara que abarca todos los niveles del sistema. La TA Tool Suite soporta especificación, simulación y validación del comportamiento de temporización de sistemas complejos en tiempo real. Juntas, forman la base para el diseño X-by-Construction en XANDAR.