[論文レビュー] ReconROS Executor: Event-Driven Programming of FPGA-accelerated ROS 2 Applications

Christian Lienen, Marco Platzner|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2022

Modular Robots and Swarm Intelligence被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、部分実行時再構成と再構成可能スロットモデルを用いて、FPGA 上のハードウェアまたはソフトウェアで、ROS 2 のコールバックを動的・オンデマンドで実行できる、イベント駆動型の新規フレームワークであるReconROSエグゼキュータを提示する。計算負荷の高いタスク、たとえば数のソートや逆運動学計算において最大20.97倍の高速化を達成するとともに、標準のROS 2プログラミングモデルと完全に互換性を持つ。

ABSTRACT

Many applications from the robotics domain can benefit from FPGA acceleration. A corresponding key question is how to integrate hardware accelerators into software-centric robotics programming environments. Recently, several approaches have demonstrated hardware acceleration for the robot operating system (ROS), the dominant programming environment in robotics. ROS is a middleware layer that features the composition of complex robotics applications as a set of nodes that communicate via mechanisms such as publish/subscribe, and distributes them over several compute platforms. In this paper, we present a novel approach for event-based programming of robotics applications that leverages ReconROS, a framework for flexibly mapping ROS 2 nodes to either software or reconfigurable hardware. The ReconROS executor schedules callbacks of ROS 2 nodes and utilizes a reconfigurable slot model and partial runtime reconfiguration to load hardware-based callbacks on demand. We describe the ReconROS executor approach, give design examples, and experimentally evaluate its functionality with examples.

研究の動機と目的

• FPGAを用いた柔軟で実行時適応可能なハードウェアアクセラレーションをROS 2アプリケーションに可能にする。
• 既存のROSアクセラレーションフレームワークにおける静的ハードウェア・ソフトウェアマッピングの制限を克服する。
• イベント駆動プログラミングを可能にするために、コールバックをソフトウェアまたは再構成可能なハードウェアに動的にスケジューリングする。
• 再構成可能スロットモデルと部分再構成を用いて、リソースの無駄と再構成オーバーヘッドを低減する。
• ROS 2開発者が標準のソフトウェア開発ワークフローを変更せずにFPGAアクセラレーションを活用できるようにする。

提案手法

• ReconROSエグゼキュータは、標準のROS 2エグゼキュータを拡張し、コールバックをCPUコア上のソフトウェアまたはFPGA上の再構成可能なハードウェアで実行するスケジューリングを可能にする。
• 事前に定義されたハードウェアモジュールをオンデマンドで部分実行時再構成により専用のFPGAスロットにロードする再構成可能スロットモデルを採用する。
• ハードウェアマッピングされたコールバックは事前に生成され、ビットストリームとして保存され、必要に応じてのみスロットにロードされるため、リソースの無駄を最小限に抑える。
• エグゼキュータはROS 2メッセージイベントを監視し、マッピング設定に従って適切な実行ユニット（ソフトウェアスレッドまたはハードウェアスロット）にコールバックをディスpatchする。
• システムはハードウェア/ソフトウェアの混合マッピングをサポートしており、パフォーマンスが重要なノードを部分的にアクセラレートできる。
• 既存のROS 2ミドルウェアおよびDDS通信レイヤーと統合されており、標準のROS 2アプリケーションとシームレスに連携できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実行時柔軟性を保ちながら、FPGAを用いたイベント駆動型ROS 2アプリケーションを効率的にアクセラレートする方法は何か？
• RQ2 ROS 2における動的ハードウェアコールバックロードに部分再構成を使用する場合のパフォーマンスオーバーヘッドと利点は何か？
• RQ3 ROS 2におけるハイブリッドハードウェア/ソフトウェア実行モデルは、計算負荷の高いロボティクスワークロードで顕著な高速化を達成できるか？
• RQ4 再構成可能スロットモデルは、FPGAアクセラレートされたROS 2システムにおけるリソースの無駄と再構成遅延をどのように低減するか？
• RQ5 ReconROSエグゼキュータを用いることで、最小限の変更で既存のROS 2アプリケーションをどの程度高速化できるか？

主な発見

• 数のソートコールバックに関して、ソフトウェアオンリーエグゼキューションと比較して最大20.97倍の高速化を達成した。
• 逆運動学コールバックは、すべてハードウェア構成において6.29倍の高速化を示し、複雑な制御アルゴリズムにおいて顕著なパフォーマンス向上を確認した。
• ソーベルフィルタとMNIST分類器はそれぞれ1.15倍および1.00倍のやや高い高速化を達成し、並列性が低いタスクはハードウェアアクセラレーションの恩恵をあまり受けないことを示した。
• ハッシュ計算は本質的に逐次的であり、アクセラレーションされないため、パフォーマンスに改善が見られず、計算負荷の高いタスクにのみハードウェアマッピングが有効であることを確認した。
• すべてハードウェア構成では、アプリケーション全体の平均ラウンドトリップ時間が最大80％短縮され、複数のワークロードにわたり一貫したパフォーマンス向上が得られた。
• ソフトウェアとハードウェア間でのコールバックディスpatchを動的に実現でき、リアルタイムロボティクスアプリケーションにおける実行時再構成の実現可能性を裏付けた。