[논문 리뷰] ReconROS Executor: Event-Driven Programming of FPGA-accelerated ROS 2 Applications

Christian Lienen, Marco Platzner|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 19.

Modular Robots and Swarm Intelligence인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 부분 런타임 재구성과 재구성 가능한 슬롯 모델을 사용하여 하드웨어 또는 소프트웨어에서 FPGA에서 ROS 2 콜백을 동적으로, 요구 시에 실행할 수 있는 이벤트 기반의 새로운 프레임워크인 ReconROS 엑세커를 제안한다. 이 프레임워크는 수치 정렬 및 역기구학 계산과 같은 계산 집약적인 작업에서 최대 20.97배의 성능 향상을 달성하면서도 표준 ROS 2 프로그래밍 모델과 완전히 호환된다.

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.

연구 동기 및 목표

• FPGA를 사용하여 ROS 2 응용 프로그램에서 유연하고 런타임에 적응 가능한 하드웨어 가속을 가능하게 하기 위해.
• 기존 ROS 가속 프레임워크에서의 정적 하드웨어-소프트웨어 매핑의 한계를 극복하기 위해.
• 이벤트 기반 프로그래밍을 통해 콜백을 소프트웨어 또는 재구성 가능한 하드웨어로 동적으로 스케줄링함으로써 ROS 2에서의 이벤트 기반 프로그래밍을 지원하기 위해.
• 재구성 가능한 슬롯 모델과 부분 재구성 기반으로 자원 낭비와 재구성 오버헤드를 줄이기 위해.
• ROS 2 개발자가 표준 소프트웨어 개발 워크플로우를 변경하지 않고도 FPGA 가속을 활용할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• ReconROS 엑세커는 표준 ROS 2 엑세커를 확장하여 콜백을 CPU 코어에서 실행하는 소프트웨어 또는 FPGA에서 재구성 가능한 하드웨어에서 실행하는 것을 지원한다.
• 사전 정의된 하드웨어 모듈이 요구 시에 부분 런타임 재구성을 통해 전용 FPGA 슬롯에 로드되는 재구성 가능한 슬롯 모델을 활용한다.
• 하드웨어에 매핑된 콜백은 사전 생성된 비트스트림으로 저장되며, 필요할 때만 슬롯에 로드되어 비활성 상태일 때 자원 사용을 최소화한다.
• 엑세커는 ROS 2 메시지 이벤트를 모니터링하고, 매핑 구성에 따라 적절한 실행 단위—소프트웨어 스레드 또는 하드웨어 슬롯—로 콜백을 디스패치한다.
• 혼합 하드웨어/소프트웨어 매핑을 지원하여 개발자가 성능이 중요한 노드만 선택적으로 가속화할 수 있다.
• 기존의 ROS 2 미들웨어 및 DDS 통신 계층과 통합되어 표준 ROS 2 응용 프로그램과의 원활한 상호 운용성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 런타임 유연성을 유지하면서 FPGA를 사용해 이벤트 기반 ROS 2 응용 프로그램을 효율적으로 가속화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 ROS 2에서 동적 하드웨어 콜백 로딩을 위한 부분 재구성의 성능 오버헤드와 이점은 무엇인가?
• RQ3 ROS 2에서 하이브리드 하드웨어/소프트웨어 실행 모델이 계산 집약적인 로봇 워크로드에 대해 상당한 성능 향상을 이룰 수 있는가?
• RQ4 재구성 가능한 슬롯 모델은 FPGA 기반 ROS 2 시스템에서 자원 낭비와 재구성 지연을 어떻게 줄이는가?
• RQ5 기존의 ROS 2 응용 프로그램은 ReconROS 엑세커를 사용해 얼마나 적은 변경으로 가속화될 수 있는가?

주요 결과

• 수치 정렬 콜백의 경우 소프트웨어 전용 실행 대비 최대 20.97배의 성능 향상을 기록했다.
• 역기구학 계산 콜백은 모든 하드웨어 구성에서 6.29배의 성능 향상을 보였으며, 복잡한 제어 알고리즘에 대한 뚜렷한 성능 향상을 입증했다.
• 소벨 필터와 MNIST 분류기는 각각 1.15배와 1.00배의 중간 수준의 성능 향상을 기록하여, 병렬 처리가 어려운 작업은 하드웨어 가속의 이점을 덜 얻는다는 것을 시사한다.
• 해시 계산은 본질적으로 순차적이며 가속되지 않아 성능 향상이 없었으며, 이는 오직 계산 집약적인 작업만 하드웨어 매핑에서 이점을 얻는다는 것을 확인한다.
• 모든 하드웨어 구성에서 응용 프로그램 전체의 평균 라운드트립 시간이 최대 80% 감소했으며, 다양한 워크로드에서 일관된 성능 향상이 관찰되었다.
• 시스템은 소프트웨어와 하드웨어 간의 동적 콜백 디스패칭을 성공적으로 지원하여 실시간 로봇 응용 프로그램에서 런타임 재구성의 가능성을 입증했다.