A Software Platform for Edge IoT Systems

• Project/Area Number: 20H00578
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 60:Information science, computer engineering, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 千葉 滋 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 教授 (80282713)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 塩谷 亮太 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 准教授 (10619191)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥44,850,000 (Direct Cost: ¥34,500,000、Indirect Cost: ¥10,350,000); Fiscal Year 2023: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000); Fiscal Year 2022: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000); Fiscal Year 2021: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000); Fiscal Year 2020: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000)
• Keywords: エッジコンピューティング / 領域特化プログラミング言語 / RISC-V / メモリ管理 / 領域特化言語 / 言語処理系

Outline of Research at the Start

エッジコンピューティング型 IoT システムを開発するための領域特化プログラミング言語 (DSL) を研究開発する。そのような IoT 機器に搭載されている超低消費電力 SoC マイコンを制御するためのプログラムを、その相対的に低い処理性能や細かな電力消費の制御をあまり気にすることなく、比較的低い労力でプログラムできる高水準な言語を研究する。それにより、C/C++ 言語によりハードウェアを直接制御する従来方式のプログラミングを脱し、脆弱性のない安全で優れたエッジ型IoT システムの普及を支援する。

Outline of Annual Research Achievements

前年度に引き続き、エッジコンピューティング型 IoT システム開発のためのソフトウェア基盤の研究を推進した。IoT 機器の制御マイコンに搭載されている不揮発性メモリを利用してメモリ空間を広げる研究については、mruby 言語の処理系を改造して本研究の技術を実装し、ベンチマーク・プログラムを作成、実行して性能評価をおこなった。この結果に基づき、実装した本研究のメモリ管理技術の調整とさらなる改良を実施した。
領域特化言語の基礎技術として、埋め込み領域特化言語の主要な実装技術であるfluent API に関する研究をおこなった。Fluent API ではメソッド呼び出しの連鎖で領域特化言語を表現する。このメソッド呼び出しの連鎖が領域特化言語の構文上正しくない並びであるとき、それをコンパイル時型エラーにする手法の研究をおこなった。そして、そのようなエラー機能を備えた安全な fluent API についての論文発表をおこなった。従来、領域特化言語の LL(1) 文法定義から flat 式の安全な fluent API を生成する方法は知られていたが、本研究は、そのような方法が存在する場合に flat 式と共に subchain 式の安全な fluent API を生成する方法を明らかにした。
また、これまでの研究で得られた知見に基づき、エッジ型 IoT システム向けの領域特化言語の開発を開始した。さらにソフトウェア基盤に関する基礎的な研究として、書かれたプログラムが正しくモジュール分割されているかを機械学習技術を用いて判定する手法の研究をおこなった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初計画のとおりに要素技術の研究が進み、IoT 向け領域特化言語の開発に着手できたため。

Strategy for Future Research Activity

当初の研究計画にしたがって研究を進める。これまでの研究成果の論文化を引き続きおこなうとともに、本年度に開発を開始した IoT 向け領域特化言語の開発を進める。

Research Products

• [Journal Article] Validating the use of a fluent API with a type checker (2022)
  • Author(s): 中丸 智貴、山崎 徹郎
  • Journal Title: Computer Software Volume: 39 Issue: 3 Pages: 3_33-3_46
  • DOI: 10.11309/jssst.39.3_33
  • ISSN: 0289-6540
  • Year and Date: 2022-07-22
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Yet Another Generating Method of Fluent Interfaces Supporting Flat- and Sub-chaining Styles (2022)
  • Author(s): Yamazaki Tetsuro、Nakamaru Tomoki、Chiba Shigeru
  • Journal Title: Prof. of the 15th ACM SIGPLAN International Conference on Software Language Engineering (SLE 2022) Volume: - Pages: 249-259
  • DOI: 10.1145/3567512.3567533
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An Anomaly-Based Approach for Detecting Modularity Violations on Method Placement (2022)
  • Author(s): Yoda Kazuki、Nakamaru Tomoki、Akiyama Soramichi、Chiba Shigeru
  • Journal Title: Proc. of the 22nd IEEE International Conference on Software Quality, Reliability, and Security (QRS 2022) Volume: N/A Pages: 287-298
  • DOI: 10.1109/qrs57517.2022.00038
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Domain-specific programming assistance in an embedded DSL for generating processor emulators (2021)
  • Author(s): Okuda Katsumi、Chiba Shigeru
  • Journal Title: Proc. of 36th Annual ACM Symposium on Applied Computing (SAC 2021) Volume: N/A Pages: 1256-1264
  • DOI: 10.1145/3412841.3442000
  • Peer Reviewed
• [Presentation] People Do Not Want to Learn a New Language But a New Library (2022)
  • Author(s): Shigeru Chiba
  • Organizer: SLE 2022 (the 15th ACM SIGPLAN International Conference on Software Language Engineering)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] プログラム実行履歴を用いたリグレッションの原因検出に向けて (2022)
  • Author(s): 石部 大夢, 山崎 徹郎, 千葉 滋
  • Organizer: 日本ソフトウェア科学会第39回大会
• [Presentation] Attempts on Finding Cross-Language Code Clones based on Text and AST Information (2022)
  • Author(s): Feng Dai, Shigeru Chiba
  • Organizer: 日本ソフトウェア科学会第39回大会
• [Presentation] Typecheck Python Programs and Find Semantic Idioms (2021)
  • Author(s): Senxi Li, Tetsuro Yamazaki, Shigeru Chiba
  • Organizer: 38th JSSST Conference, September, 2021
• [Presentation] Wennong Cai, Soramichi Akiyama, Shigeru Chiba (2021)
  • Author(s): A Preliminary Design of an Easy-to-Dictate Programming Language with Pronouns
  • Organizer: 38th JSSST Conference, September, 2021
• [Presentation] 静的型付き言語で動的に生成された型が含むバグの早期発見に向けた研究 (2021)
  • Author(s): 横井 駿平, 千葉 滋
  • Organizer: 日本ソフトウェア科学会第38回大会
• [Presentation] Flashメモリを併用するスモールデバイス向けメモリ管理システム (2021)
  • Author(s): 井上 曜, 千葉 滋
  • Organizer: 日本ソフトウェア科学会第38回大会
• [Presentation] パーサの段階的開発のための対話による文法編集に向けて (2021)
  • Author(s): 奥田 勝己, 千葉 滋
  • Organizer: 日本ソフトウェア科学会第38回大会
• [Presentation] 科学技術計算の並列プログラムを生成するための対話的最適化を行う Jupyter 併用型 DSL の設計 (2021)
  • Author(s): 西田 秀之, 千葉 滋
  • Organizer: 情報処理学会研究報告ハイパフォーマンスコンピューティング、Vol.2021-HPC-180, No.17, pp.1-7
• [Presentation] 不揮発性メモリの併用に特化したIOT向けプログラム言語ランタイム (2020)
  • Author(s): 井上 曜, 千葉 滋
  • Organizer: 日本ソフトウェア科学会第37回大会
• [Presentation] 他言語関数呼び出しにおける遠慮のかたまり問題の解決に向けたオブジェクトグラフの解析 (2020)
  • Author(s): 山崎 徹郎, 千葉 滋
  • Organizer: 日本ソフトウェア科学会第37回大会
• [Presentation] Type-check Python Programs with a Union Type System (2020)
  • Author(s): Senxi Li, Tetsuro Yamazaki, Shigeru Chiba
  • Organizer: 37th JSSST Conference