2015 年 10 月 16 日 MATLAB EXPO 2015 ホテルグランパシフィック LE DAIBA 新世代医療機器開発に向けた MBD 導入 活用促進の取り組み オリンパス株式会社 VES 開発部 2G グループリーダオリンパスデジタルシステムデザイン株式会社取締役早稲田大学アドバンストマルチコアプロセッサ研究所招聘研究員 中野恵一 (k_nakano@ot.olympus.co.jp)
本日お伝えする 取り組み のあらまし Motivation 新世代医療機器はじめ様々なシステムを 高品質 (Q) 低コスト (C) 短納期 (D) で開発するにあたり 多様なデバイスへの実装を効率よく実施 かつ法規制等にも的確に対応する手段として MBSE/MBD の有効活用および社内への普及展開を図りたい 技術検討 従来 C コードを起点にし FPGA やプロセッサに個々に実装を進めていたのに対し モデルを起点とし自動コード生成を多用した場合に 十分な性能確保が可能か確認する このモデル起点の開発プロセスにおいて ツールの活用により トレーサビリティ確保 / 法規制対応等の効率が向上することを確認する 普及活動 ライセンスの一元管理により 必要な時に必要な作業がすぐにできる社内状況を作る ツールのポテンシャルを最大限に引き出すため 最新の機能をタイムリーに教育する 蓄積したノウハウを共有 水平展開する 1/30
アジェンダ 1. オリンパスのご紹介 2. モデルベース システムズエンジニアリング MBSE = (SysML/UML + MBD with MATLAB /Simulink ) ワンソース マルチデバイス 3. 技術検討状況 MATLAB/Simulink 製品活用拡大に向けた取り組みのご紹介 4. ヘテロジニアス マルチ メニーコア時代に向けて 2/30
オリンパスのご紹介 3/30
オリンパス会社概要 設立 : 1919 年 ( 大正 8 年 )10 月 12 日本社 : 東京都新宿区西新宿 2-3-1 新宿モノリス連結売上高 : 7,647 億円 (2015 年 3 月期 ) 連結従業員数 : 31,540 人 (2015 年 3 月期 ) 事業軸と機能軸を融合させ 全社の経営資源の最大活用を目指す マトリックス型 の事業運営に変革 4/30
売上高比率 映像 838 億円 (11%) 科学 1,039 億円 (14%) 事業別 科学事業は 2014 年 4 月 1 日付けでライフ 産業事業から組織名称を変更しております その他 186 億円 (2%) 2015 年 3 月期 7,647 億円実績 医療 5,583 億円 (73%) アジア オセアニア 1,393 億円 (18%) 欧州 1,952 億円 (26%) 数字は概数 その他 188 億円 (2%) 2015 年 3 月期 7,647 億円実績 国内 1,614 億円 (21%) 北米 2,499 億円 (33%) 地域別 5/30
新 事業ポートフォリオ 医療事業科学事業映像事業 消化器科外科泌尿器科婦人科 耳鼻科 医療サービス 新事業科学映像 6/30
オリンパス内視鏡の市場ポジション ( 世界シェア ) 内視鏡 : 市場でのメジャープレイヤー 消化器 : 約 7 割呼吸器 : 約 7 割超音波 : 約 7 割 外科 処置具 : 市場でのチャレンジャー 外科 : 約 2~3 割 処置具 : 約 2~3 割 THUNDERBEAT( サンダービート ) 血管の封止 止血機能に優れるバイポーラ型高周波電流エネルギーと 組織の切開 剥離機能に優れる超音波振動エネルギーを同時に出力 http://www.mizuhobank.co.jp/corporate/bizinfo/industry/sangyou/pdf/mif_111.pdf 7/30
8/30 医療機器メーカーのポジション (Total Revenue) 1. Johnson & Johnson 2. GE Healthcare 3. Medtronic 4. Baxter International 5. Siemens Healthcare 6. Philips Healthcare 7. Cardinal Health 8. Covidien 9. Abbott Labs 10. Stryker 11. Danaher 12. Becton Dickinson 13. Boston Scientific 14. Essilor 15. Alcon 16. B. Braun 17. Fresenius 18. St. Jude Medical 19. 3M Healthcare 20. Olympus Medical 21. Zimmer 22. Smith & Nephew 23. Hospira 24. Terumo 25. CareFusion Billion $ 0 5 10 15 20 25 30 http://www.mpo-mag.com/heaps/view/1800/1/ July 29, 2015
内視鏡 / カプセル内視鏡の未来へ 内視鏡先端 より高画質 多画素化高速動作 より細く 高密度実装 より明るく 照明の多灯化 筐体 より高画質 ハイビジョン化高速信号処理 より小型化 高集積化 より明るく 高輝度光源 Freescale s Insanely Tiny ARM Chip 9/30 32k flash memory / 4k RAM / 32 bit processor 12-bit A/D converter / low-power UART ミクロの決死圏 (1966)
モデルベース システムズエンジニアリング MBSE =(SysML/UML + MBD with MATLAB/Simulink) ワンソース マルチデバイス 10/30
MBSE における MBD(MATLAB/Simulink) の位置づけ 1 Operational View SysML 2 Functional View MATLAB/Simulink 3 Physical View Program Code 11/30
紙の仕様書だけに基づく 従来の組込みシステム開発の限界 http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/0903/27/news109.html 12/30
モデルベース開発により システムの開発プロセスを再構築 紙の仕様書で不足する情報を補完するために モデル を用いることで 仕様を明確化する 開発プロセス全体のコミュニケーションを改善する 開発の上流工程を重視 ( フロントローディング ) する モデルベース開発の特徴 モデルによる仕様の表現 定義 = 実行可能な仕様書 モデルのシミュレーションによる設計の詳細化 妥当性検証 モデルからの自動コード生成による実装 テスト 検証におけるモデルの再利用 http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/0903/27/news109.html 13/30
技術検討状況 MATLAB/Simulink 製品活用 拡大に向けた取り組みのご紹介 14/30
モデルベース開発プロセスにおける 取組みのポイント 品質保証 設計 実装 モデル検証 レポート生成 構成 変更管理 テストベンチの生成 モデルガイドラインの活用 仕様, テスト等で発生するレポート生成を支援する機能の活用 制御系 ( 連続系 ) 検証方法の確立 自動コード生成 一致検証 モデルとコードの出力が同一であることを検証する 構成 変更管理 構成管理 : バージョン管理 変更管理 : 関連する成果物への影響範囲を明確にする ( トレーサビリティ ) テスト結果 ハンドコードとの比較検証 可読性 冗長性 効率性 ( メモリ使用量 ) システム仕様書 構造仕様書 詳細仕様書 モデル モデル モデル テスト結果ソースコードソースコードソースコード ソースコード 15/30 引用 : モデルベース開発プロセス モデルベース開発へのチャレンジ - ( 株 ) 東海理化 - http://www.ipa.go.jp/files/000005297.pdf テスト結果
共同研究 : 早稲田大学笠原 木村研究室 16/30 No http://www.kasahara.cs.waseda.ac.jp/pdf/kasaharakimurakenresearch20130508.pdf data copy / No data transfer permitted
次世代カメラ カプセル内視鏡のための静止画圧縮 JPEG XR エンコーダ技術の高速低電力処理実証 速度向上率 60.00 TILEPro64 速度向上率 0.18[s] 55.11 50.00 40.00 30.00 逐次に対し 64 コアで 55 倍の速度向上を達成 30.79 TILEPro64 20.00 10.00 0.00 1 コア 10.0[s] 1.00 1.96 3.95 7.86 15.82 1 2 4 8 16 32 64 コア数 Best Feature Award 受賞 : COOL Chips XVI, IEEE Symposium on Low Power and High-Speed Chips, April. 2013 17
マルチ メニーコア向け開発フロー 現行開発フロー ( コードベース ) 逐次 C コード ( アルゴリズム ) リファクタリング C モデルベース開発フロー モデル ( アルゴリズム ) 自動 C コード生成 リファクタリング C コード C 並列処理向け最適化 Parallelizable-C コード C Parallelizable-C コード C OSCAR コンパイラ OSCAR コンパイラ OSCAR C コード C OSCAR C コード C gcc make gcc make マルチ メニーコア マルチ メニーコア 人手 自動生成 18/30
モデルから実装までの自動化 ( コード生成 並列化 ) の例 RP2 上でのエンジン燃料噴射制御プログラム (MATLAB/Simulink Embedded Coder により生成したプログラム ) の並列処理 http://www.kasahara.elec.waseda.ac.jp/achieve/pdf/meti_shisatsu_20121126.pdf 19/30
MathWorks 社製品ライセンスの一元管理化 MATLAB Image Processing Toolbox Signal Processing Toolbox Simulink 2% 1%1% 2% 2% 2% 2% 2% 3% 1% 1%1% 3% 1%1%1%1%1%1%1%1%1%0%0%0%0% 0% 1% 3% 4% 46 種 1000 本以上 5% 6% 19% 8% 9% 9% Control System Toolbox DSP System Toolbox Simulink Coder Fixed-Point Designer Statistics and Machine Learning Toolbox MATLAB Compiler Robust Control Toolbox Embedded Coder Simscape System Identification Toolbox Symbolic Math Toolbox Simulink 3D Animation Image Acquisition Toolbox Data Acquisition Toolbox Simulink Control Design Optimization Toolbox MATLAB Coder Stateflow Computer Vision System Toolbox Parallel Computing Toolbox Simulink Verification and Validation SimElectronics Simulink Design Optimization MATLAB Compiler SDK Wavelet Toolbox MATLAB Report Generator Spreadsheet Link EX Communications System Toolbox Curve Fitting Toolbox Instrument Control Toolbox HDL Coder HDL Verifier Simulink Report Generator Neural Network Toolbox Partial Differential Equation Toolbox Filter Design HDL Coder Global Optimization Toolbox Model Predictive Control Toolbox SimPowerSystems Simulink Design Verifier SystemTest Gauges Blockset 20/30
共有ノウハウ ドキュメント化の例 MBD 移行ガイド MBD による FPGA 実装ワークフロー 21/30
ヘテロジニアス マルチ メニーコア時代に向けて 22/30
デジタル コンバージェンスにより 一皮剥けば皆同じ に 1/2 90-3:Windows3.x 02:WinXP PC Tablet 10:iPad 95-01:P6 84:Machintosh 82:PC-9801 89: ダイナブック 81:IBM PC / MS-DOS 87,89: 携帯電話 95:Windows95 06:Thinkpad X60Tablet 99:iモード 12:iPhone5 91:mova 07:iPhone 1980 85: ショルダーホン 1990 2000 2010 95:QV-10 09:PEN E-P1 81: マビカ試作機 88: 家庭用マビカ 96:C-800L 93:VC-1000 03:E-1 10:E-5 12:DSX 98:DP-10 06:DP-71 85:EVIS-1 02: ハイビジョンシステム 12:EVIS EXERAIII 23/30
デジタル コンバージェンスにより 一皮剥けば皆同じ に 2/2 10:iPad 12:iPhone5 10:E-5 12:DSX 12:EVIS EXERAIII 共通 OS http://www.carsonoptical.com/pocket_microscopes/ http://blog.shadowcity.jp/my/2012/11/post-1627.html Leica も同種の i- アプリを提供 FDA 認可を受けた最初の i- アプリ (Mobile MIM) 24/30
適切な時期に製品を開発 投入しなければ利益確保は難しい Technology Adoption テレビ デジタル製品は 設計スピードの高速化が必須 インターネット 電話 自動車 携帯電話 PC http://www.aleph.se/nada/masevr/6001170a.gif The silent boom by Peter Brimelow <http://www.forbes.com/forbes/1997/0707/6001170a.html> 25/30
デジタル製品は 新興国市場でも いきなり立ち上がる http://mric.jogmec.go.jp/public/current/13_02.html 日本 韓国 中国の自動車普及率 ( 人口 1000 人当たり ) Total African Mobile Connections and Penetration Rate (million, percentage penetration). Source GSMA Africa Mobile Observatory 2011 http://blog.aviatnetworks.com/2012/06/15/mobile-network-modernization-in-africa/ 26/30
ハードウェアからプログラマブル デバイスへ 1/2 32nm ノードでは 開発製造にかかるコストを回収するには 3000 万 ~4000 万個のチップを販売する必要がある http://eetimes.jp/ee/articles/1110/31/news073.html http://www.aset.or.jp/kenkyu/sanjigen_2011_7.pdf The free lunch is over 従来 コンピュータ処理の性能は ほぼ ハードウェア性能の向上で達成されていたので ソフトウェアは ただ単に 新しい環境で動くようにさえすればよかった 並列処理 は必然に http://www.gotw.ca/publications/concurrency-ddj.htm 27/30
ハードウェアからプログラマブル デバイスへ 2/2 ローカルでの処理 ハードウェア ( リジッド ) では 多様化するシステム要求に対応できない できるだけ多くの処理を プログラマブルデバイスへ リジッド プログラマブル プログラマブルデバイスは電力効率が悪い = 発熱の問題 マルチコア化 プログラミングモデルの視点からは ホモジニアス マルチコアが容易 しかし多様なモジュールが既存 アクセラレータ ( リジッド ) FPGA CPU DSP GPU これらを適材適所で組み合わせる = ヘテロジニアス マルチコア クラウド コンピューティング 大規模計算システムも それを構成するプロセッサは マルチコア 例 :TOP500 28/30
プログラマブル デバイスの内 主流になるのは? プログラマブル デバイス : FPGA/GPGPU/ マルチ メニー コア FPGA も GPGPU も ヘテロジニアス マルチコア の一構成要素になる システム観点では マルチ メニー コアの使いこなしができればよい (FPGA GPGPU の個々の使いこなしはできている前提で ) しかし マルチコアの性能を引き出すプログラムは難しい 並列化可能な割合 100% マルチ メニー コアの魅力は コア数の変更でスケーラブルに コストと性能を調整できる可能性があること 10 コアで約 5.3 倍 20 コアで約 6.9 倍 50% 90% 29/30
MathWorks 社様への期待 ( まとめに変えて ) 技術面 SysML UML 等による グラフィカル モデリング のレイヤーとの 連携 協調の充実 構造検討モデル ( アーキテクチャモデル ) と 性能検証モデル ( MATLAB/Simulink モデル ) との相互変換 & トレーサビリティ 等価性保証 自動コード生成機能の更なる改善 対応関数の拡充 検討ワークフローの 整流化 ( バージョン間の整合 ) QoR(HDL C コードともに ) の向上 各種のコンパイラ 合成ツールや並列化支援技術への対応 協調 ライセンス面 ネットワーク時代にフィットした シンプルで投資対効果に納得感の高いライセンス形態のご提供 社内クラウド等を含む様々な形態での利用にも対応 管理しやすく 投資対効果が ( 少なくとも ) スケーラブルになる 30/30