仮想化とは？
システム開発における仮想化とは、ハードウェアの機能をシミュレートするソフトウェアを作成することです。その結果、ハードウェアシステムに完全に依存する場合よりも、経済的で柔軟性の高い仮想システムが実現されます。
仮想化は、仮想システムと物理システムの間で通信を行い、1台のハードウェア上で複数の仮想マシン（VM）を作成することを可能にするハイパーバイザによって実現されます。各VMは実際のコンピュータをエミュレートするため、異なるオペレーティングシステムを実行することができます。つまり、1台のコンピュータやサーバーで複数のオペレーティングシステムをホストできるのです。
その汎用性と効率性から、仮想化は近年大きな勢いを増しています。さらに、今日の産業機器用の制御システムは30年前に導入されたものであり、現在では時代遅れとなっています。こうしたレガシーインフラは長年にわたり制御システムに安定したプラットフォームを提供してきましたが、柔軟性に欠け、コストのかかる手作業によるメンテナンスを必要とし、貴重なシステムデータへのアクセスや分析を容易には行えません。
汎用的で効率的な仮想化は、レガシーシステムの限界を克服します。
仮想化は、レガシー制御システムインフラの限界を克服し、産業機器用のモノのインターネット（IIoT）の基盤を提供します。 以前はネットワーク上に専用ハードウェアアプライアンスとして展開されていた制御機能を、仮想化して商用オフザシェルフ（COTS）サーバーに統合することが可能です。これにより、最先端の半導体技術を活用できるだけでなく、設備投資を削減し、運用コストを低減し、エネルギー、医療、製造など、さまざまな産業分野において効率性を最大化します。
組込みシステムの開発者にとって、仮想化は新たな機能と可能性をもたらします。これにより、システムアーキテクトはハードウェアの制約を克服し、複数のオペレーティングシステムを活用してデバイスを設計できるほか、高可用性と卓越したスケーラビリティを実現できます。
組込みシステムにおける変化
組み込みシステム設計における変化の原動力には、ハードウェアの改良に加え、ソフトウェア開発手法の継続的な進化があります。ハードウェアレベルでは、単一のCPUでより多くの処理が可能になりました。新しいマルチコアSOCは、1つのアプリケーションのみを実行するのではなく、適度な電力消費とコスト要件を維持しつつ、単一のハードウェアプラットフォーム上で複数のアプリケーションをサポートすることができます。 同時に、ソフトウェア開発技術の進歩により、従来のシステムよりもソフトウェア定義型で柔軟性の高いシステムが生み出されています。
物事は変化すればするほど、その本質は変わらないものです。組込みシステムに求められるコアな要件は、今後も変わらないでしょう：
- セキュリティ：サイバー攻撃はより一般的になりつつある一方で、完全に隔離されたシステムはますます希少になっています。組込みエンジニアは、これまで以上にセキュリティを重視しています。
- 安全性：システムは、その環境がどのようなものであれ、環境に悪影響を及ぼさないことを保証できなければなりません。産業機器、輸送、航空宇宙、自動車、医療分野のシステムは、組込みシステムが誤動作した場合、人命の損失や環境災害を引き起こす可能性があります。このため、決定性――つまり、性能の予測可能性と信頼性――が極めて重要です。あるゾーンでの障害が、システム全体の障害を引き起こしてはなりません。
組込みシステムの世界では多くの変化が見られますが、コアとなる要件は変わっていません。組込みシステムは、セキュアで、安全で、信頼性が高く、認証可能でなければなりません。
- 信頼性：組込みシステムは常に期待どおりの性能を発揮しなければなりません。初めて起動する場合でも、100万回目に起動する場合でも、同じ時間枠内で同じ結果を生み出す必要があります。「不十分」や「遅すぎる」といった結果は、失敗が許されないシステムにおいては許容されません。
- 認証可能性：認証プロセスは、多くの組込みシステムにおいて、開発の重要な部分であり、多額のコストを要します。レガシーシステムにおける認証はメンテナンス・活用されるべきである一方、将来のシステムについては認証の容易性が確保されなければなりません。
組込み技術とクラウドネイティブテクノロジーの橋渡し
現在、多くのメーカが、レガシー組込みシステムのライフサイクル終了に直面しています。これらの数十年前のシステムは、セキュリティ上の脆弱性があったり、安全性が確保されていなかったり、あるいは現在の認証要件を満たせなかったりする可能性があります。これらのシステムはアップグレードまたは置き換えが必要ですが、それには多額の費用がかかり、場合によっては不可能でさえあります。
同時に、労働人口も変化しています。当初の設計を手掛けたエンジニアは退職しており、新しい労働人口は異なるアプローチで教育を受けています。
おそらく、開発サイクルの短縮という要件が、さらに大きな問題となっている。かつては、専用のハードウェア上で固定機能の組込みシステムを構築するのに1年以上を要しても現実的だったかもしれないが、今日の経済状況では、より迅速な市場投入が求められている。
とはいえ、多くのレガシー組込みシステムは長期にわたって運用され続けています。多くの産業機器において、35～45年というライフサイクルは決して珍しくありません。それらは最新の物ではないかもしれませんが、それらを稼働させる機械は長持ちするように作られています。例えば、産業機器制御システムは、たとえそのデジタル要素が時代遅れであっても、数十年もの寿命を持つことがあります。
組込みシステムにおける仮想化のメリット
幸いなことに、組込みシステムの世界が課題に直面する中でも、ハードウェアと仮想化技術の進歩は着実に進んでいます。現在では、特定用途向けハードウェア上で個別に動作する、特定の用途に特化した組込みシステムに固有の困難のほとんどを克服することが可能になりました。これは、個々の組込みシステムとそのアプリケーション、オペレーティングシステムを、単一のプラットフォームおよびハードウェアアーキテクチャ上で、それぞれ独自の仮想マシンに統合することで実現されます。
図1に示すように、仮想化により、それぞれ独自のOSを実行する複数の組込みシステムを、1つのマルチコア組込みシステム上に配置することが可能になります。これは、シリコン設計、処理能力、および仮想化テクノロジーが進歩したことによって実現されています。同じシリコン上で、複数のLinuxバージョンに加え、複数のRTOSやその他の一般的なレガシーOSをホストすることができます。
図1. 仮想化を利用して単一プロセッサ上で動作する複数の組込みシステムのリファレンス・アーキテクチャー
仮想化により、組込みシステムアプリケーションとそのOSを、基盤となるハードウェアから抽象化することに成功しています。その結果、従来の組込みシステムに起因する最も深刻な課題の多くを克服することが可能になります。エンジニアにとっての利点は以下の通りです：
- スケーラビリティと拡張性の大幅な向上
- オープンなフレームワークのサポートと、デバイス間でのIPの再利用
- より強力な処理機能を備えた、オープンで標準化されたハードウェア上でソリューションを構築する機能
- 設計の簡素化とそれに伴う市場投入までの期間の短縮
- デバイス内でのアプリケーションの統合により、ハードウェアのフットプリントと部品表（BOM）に関連するコストを削減
- 仮想化システムにデプロイ可能な、馴染みのあるOSやプログラミング言語により、学習曲線が緩やかになる
- 複数のOSやアプリケーションを並行して実行できる機能
- 各オペレーティングシステムおよびアプリケーションインスタンスの分離により、セキュリティが強化され、安全認証対応の動作環境と「安全でない」アプリケーションの両方を共存させることが可能
- DevOpsなどの新しい手法によるアップグレードの容易化。これにより、新機能の迅速な拡張が簡素化される
- セキュリティの脅威への迅速な対応
Wind Riverのアプローチ
Wind River Studio
Wind River® Studioは、セキュリティ、安全性、信頼性が求められるミッションクリティカルなインテリジェントエッジシステムの開発、導入、運用、保守のための、初のクラウドネイティブプラットフォームです。単一の管理画面を通じてライフサイクル全体にわたるデジタルスケーラビリティを実現するよう設計されており、変革をもたらすビジネス成果の加速を支援します。Wind River Studioには、複数のオペレーティングシステムをホストする仮想化プラットフォームに加え、開発および導入プロセス向けのシミュレーション機能やデジタルツイン機能が含まれています。
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図2. Helixプラットフォームのアーキテクチャ
仮想化OSプラットフォーム
Studioには、Wind River Helix™ Virtualization Platformを基盤とする仮想化ソリューションが含まれています。これは、安全認証対応のマルチコア・マルチテナント型プラットフォームであり、さまざまな重要度レベルのシステムに対応しています。このプラットフォームは、マルチOSおよび重要度が異なるアプリケーションを単一のエッジコンピューティング・ソフトウェアプラットフォームに統合し、航空宇宙・防衛、産業機器、オートモーティブ、医療市場における設計の簡素化、セキュリティ強化、将来にわたり利用可能な状態を実現します。 このプラットフォームは、実績があり信頼性の高い環境を提供し、既知の信頼できるテクノロジーに基づく堅牢かつ柔軟性の高い基盤の上で、最新のイノベーションを構築できるため、新しいソフトウェアプラクティスの導入を可能にします。
Wind River Studioの一部として、Helix Platformは、プラットフォームサプライヤー、アプリケーションサプライヤー、システムインテグレーター間の知的財産およびセキュリティの分離を実現します。この分離により、複数のサプライヤーが安全クリティカルなプラットフォームに要素を提供するためのフレームワークが提供されます。
このプラットフォームは、認証要件のない高度に動的な環境から、アビオニクスや産業機器などの規制が厳しく静的なアプリケーションに至るまで、クリティカル インフラストラクチャ開発のニーズに対応するさまざまなオプションを提供します。また、自動車分野のように、安全認証対応のアプリケーションと非認証のアプリケーションを混在させる必要があるシステムにも対応するように設計されています。Helix Platformは、現在の要件に対する柔軟な選択肢と、将来の要件への適応性を提供します。
» 詳細はこちらシミュレーション／デジタルツイン
Wind River Studioのクラウドネイティブシミュレーションプラットフォームを使用すると、極めて複雑な実世界のシステムのシミュレートされたデジタルツインを作成し、複雑な問題のテストの自動化やデバッグを行うことができます。デジタルツインにより、チームは開発スピードを向上させ、品質を改善し、アジャイルなプラクティスとDevOpsのソフトウェア開発手法を組込み開発に容易に導入することができます。
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