ROS 2 on a Chip, Achieving Brain-Like Speeds and Efficiency in Robotic Networking

要約

ロボット オペレーティング システム (ROS) pubsub モデルは、高度なロボット アプリケーションの開発において極めて重要な役割を果たしました。
しかし、現代のロボット工学の複雑さとリアルタイムの要求により、決定論的かつ等時性のより効率的な通信ソリューションが必要になります。
この記事では、ROS 2 メッセージ パッシング インフラストラクチャを専用のハードウェア チップに直接埋め込み、ロボット通信の速度と効率を大幅に向上させるという画期的なアプローチを紹介します。
当社のチップ設計の FPGA プロトタイプは、2.5 マイクロ秒未満でパッケージを送受信でき、最新の CPU での従来の ROS 2 ソフトウェア実装と比較して、ネットワーク通信を平均 62 倍以上高速化し、エネルギー消費を 500 倍以上改善します。
さらに、ROS 2 ネットワーク通信の最大遅延を 30,000 分の 1 以上大幅に削減します。
ピーク遅延の状況では、当社の設計は 11 マイクロ秒以内のアイソクロナス応答を保証します。これは、同様の条件下で最新の CPU システムによって報告される可能性のある数百ミリ秒に比べて大幅な改善です。

要約(オリジナル)

The Robot Operating System (ROS) pubsub model played a pivotal role in developing sophisticated robotic applications. However, the complexities and real-time demands of modern robotics necessitate more efficient communication solutions that are deterministic and isochronous. This article introduces a groundbreaking approach: embedding ROS 2 message-passing infrastructure directly onto a specialized hardware chip, significantly enhancing speed and efficiency in robotic communications. Our FPGA prototypes of the chip design can send or receive packages in less than 2.5 microseconds, accelerating networking communications by more than 62x on average and improving energy consumption by more than 500x when compared to traditional ROS 2 software implementations on modern CPUs. Additionally, it dramatically reduces maximum latency in ROS 2 networking communication by more than 30,000x. In situations of peak latency, our design guarantees an isochronous response within 11 microseconds, a stark improvement over the potential hundreds of milliseconds reported by modern CPU systems under similar conditions.

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