IoTやるなら知っておこう！ハードウェアの守護神エンベデッドシステムとは

エンベデッドシステムとは組み込みシステムを指します。テレビ・冷蔵庫・電子レンジなどの家電製品・デジタルカメラ・携帯電話・カーナビ・ロボットなどの電子機器に組み込まれているコンピューターシステムのことです。
パソコンのような汎用的なコンピューターと違って、その機器専用のコンピューターシステムです。そして入力信号に対して即座に応答するリアルタイム性や高い信頼性が要求されます。
また、小さな機器が多いのでメモリーやバッテリーは最小限しか搭載されていません。
特に昔はメモリーを節約するために、1行でも短いプログラムにすることや、消費電力を最低限にするなど、リソースを節約するために開発者は苦労してきました。
ただ、最近ではメモリーやバッテリーが小型化、低価格化されたのでリソースの節約の点で少し楽になったようです。

最近ではごく身近なものとなっているエンベデッドシステムですが、まだまだ知名度が低いのも実情です。情報処理試験のテストの分野にはたくさんの分野があります。例えば、ネットワークスペシャリストやデータベーススペシャリストはどんな技術者なのか、どんなテストなのかを容易に想像できると思います。しかし、エンベデッドシステムスペシャリストと聞いて同じように想像できている人は少ないのが現状です。

エンベデッドシステムにはいくつかの特徴があります。その中の3つを紹介しましょう。

1、ハードウェアの知識が必要

エンベデッドシステムの技術者にはどのようなスキルが必要とされるのでしょうか？　
情報処理技術者のエンベデッドシステムスペシャリスト用のテキストを開いてみます。

第1章: ハードウェア技術
第2章: ソフトウェア技術
第3章: ネットワークとセキュリティ
第4章: 開発関連技術

と続きます。最初にハードウェアの技術が必要です。
And回路とOr回路から始まり、パイプライン・DMA（Direct Memory Access）の仕組み・メモリ選択のIO・割り込みコントローラなどの説明が載っています。ハードウェアを直接操作するのでアセンブラ言語でプログラムを書くこともあります。ソフトウェアの開発を希望してIT系の会社に入ったのに、エンベデッドシステムの部署でハードウェアの開発の仕事を任されて戸惑ってしまったという人もいるかと思います。しかし、仕事を通してハードウェア周辺の知識を習得できる機会として、これほど魅力的な機会はないと思います。

2、バグの発生が生死に関わることも

ソフトウェアやOSにはときどき不具合やセキュリティホールが見つかることがあります。すると、開発元からパッチが発行されたり、バージョンアップされたりします。「不具合を改善しましたのでバージョンアップしてください」と連絡がきた経験があるのではないでしょうか。
ソフトウェアにおけるバグは、ユーザーの満足度の低下や、情報流出などの原因になるリスクがあります。一方でエンベデッドシステムでは、一部のシステムを除いて更新プログラムをダウンロードして使用することはありません。不具合が見つかった場合はリコール対象となることもあり、製品を回収して交換しなくてはならないケースがあります。ソフトウェアにおけるバグとは違う側面で、バグの発生が事故を引き起こし人の生死に関わる可能性もあるのです。

例えば、車のエンベットシステムであるブレーキシステムにバグがあり、数十万台のリコールがあった事例もあります。このようにエンベットシステムのバグの対応には莫大な費用がかかることはもちろん、カスタマーからの信頼を失墜する可能性もあるのです。

3、リアルタイム性があるシステム

エンベデッドシステムにはリアルタイムな応答が必要とされます。
例えばスマートフォンでメールを書いている最中に電話がかかってきました。メールを書くプロセスのスレッドが終わるまでスマートフォンのプロセスが動かなかったとしたら、電話に出損なってしまいます。電話がかかってきたら何秒か以内に呼び出し音を鳴らして電話に出られるようにしなくてはいけません。
そのために、エンベデッドシステムではリアルタイムOSが使用されます。リアルタイムOSでは各処理をタスクに割り当てて優先度を設定しています。

例えば、メールを書くタスクが実行されている最中にスマートフォンの受信タスクが起動されると、優先度が高い携帯電話のタスクがすぐに実行され、優先度が低いメールを書くタスクは一時停止されるのです。この仕組みによって、優先度が高いタスクは実行中の他のタスクの影響を受けることなく実行が終わるようになっているのです。

IoT（Internet of Things）の進化は、エンベデッドシステムに大きな影響を与え、その進化を促進しています。

・高性能化と小型化
IoTデバイスは高性能かつ小型化しています。これに伴い、エンベデッドシステムも高性能なプロセッサや高密度メモリを備えながら、小型化を進めています。限られたスペースでも高度な計算能力を提供できるようになり、様々なIoTデバイスに対応可能となっています​。

・リアルタイム処理の強化
既述の通り、IoTデバイスはリアルタイムでデータを処理することが求められるため、エンベデッドシステムもリアルタイム処理能力が強化されています。リアルタイムOS（RTOS）の利用が進み、タスクの優先度を効率的に管理することで、迅速な応答が可能になっています。これにより、産業用IoT（IIoT）やスマートシティなど、リアルタイム性が重要なアプリケーションに対応しています​。

・セキュリティの強化
IoTの普及に伴い、セキュリティの重要性が増しています。エンベデッドシステムは、ハードウェアレベルでのセキュリティ機能を強化し、デバイス間の通信を保護するための暗号化技術や認証プロトコルの導入が進んでいます。これにより、サイバー攻撃からデバイスとネットワークを保護することが可能になります​。

・ AIと機械学習の統合
IoTデバイスは大量のデータを生成し、それを分析するためにエッジコンピューティングが重要になっています。エンベデッドシステムには、AIと機械学習機能が統合され、デバイス自体がデータを処理し、リアルタイムで意思決定を行う能力が求められています。これにより、クラウドに依存せずに迅速な対応が可能となり、応答時間が短縮されます​。

ソフトウェアの開発とその進化には著しいものがあります。新たなサービスや顧客体験をもたらすことで、世の中に価値を生んでいると言えるでしょう。しかし、そのソフトウェアもハードウェアが無ければ力を発揮できないものがほとんどです。
IoTの進化により、エンベデッドシステムも大きく進化しています。高性能化、小型化、リアルタイム処理の強化、低消費電力設計、セキュリティの強化、AIと機械学習の統合、多様な接続性のサポートなど、多岐にわたる分野での進化が見られます。
このような技術の進歩と、ITエンジニアのスキルUPは密接に関係しています。

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※こちらの記事は一部生成AIを使用しています。