Während sich das Auto von hardwaregesteuerten zu softwaregesteuerten Geräten weiterentwickelt, ändern sich die Wettbewerbsregeln in der Automobilindustrie.
Der Motor war der technologische und technische Kern des Automobils des 20. Jahrhunderts. Diese Rolle spielen heute zunehmend Software, große Rechenleistung und moderne Sensoren. Die meisten Innovationen hängen damit zusammen. Alles hängt von diesen Dingen ab, angefangen von der Effizienz der Autos, ihrem Zugang zum Internet und der Möglichkeit des autonomen Fahrens, bis hin zur Elektromobilität und neuen mobilen Lösungen.
Mit der Bedeutung von Elektronik und Software wächst jedoch auch deren Komplexität. Nehmen wir zum Beispiel die wachsende Anzahl von Codezeilen (SLOC) in modernen Autos. Im Jahr 2010 hatten einige Autos etwa zehn Millionen SLOCs; Bis 2016 hat sich diese Zahl um das 15-fache erhöht und belief sich auf rund 150 Millionen Codezeilen. Die lawinenartige Komplexität verursacht ernsthafte Probleme mit der Qualität der Software, wie zahlreiche Bewertungen von Neuwagen belegen.
Autos haben ein erhöhtes Maß an Autonomie. Die Qualität und Sicherheit von Software und Elektronik wird daher von der Automobilindustrie als zentrale Voraussetzung für die Gewährleistung der Sicherheit von Menschen angesehen. Die Automobilindustrie muss moderne Ansätze für Software sowie für die elektrische und elektronische Architektur überdenken.
Lösung eines akuten Branchenproblems
Während die Automobilindustrie von hardwaregesteuerten zu softwaregesteuerten Geräten übergeht, nimmt die durchschnittliche Anzahl von Software und Elektronik in einem Fahrzeug rapide zu. Heutzutage macht Software 10% des gesamten Fahrzeuginhalts für ein größeres Segment D oder größeres Fahrzeug aus (ca. 1.220 USD). Der durchschnittliche Softwareanteil wird voraussichtlich um 11% steigen. Es wird vorausgesagt, dass Software bis 2030 30% des Gesamtinhalts von Autos ausmachen wird (etwa 5200 US-Dollar). Es ist nicht verwunderlich, dass Menschen, die in der einen oder anderen Phase des Automobilbaus tätig sind, versuchen, Innovationen zu nutzen, die mit Software und Elektronik umgesetzt wurden.
Softwareunternehmen und andere digitale Player möchten nicht mehr im Hintergrund sein. Sie versuchen, Autohersteller als erstklassige Zulieferer zu gewinnen. Unternehmen bauen ihre Beteiligung am „Stack“ der Automobiltechnologie aus, indem sie von Funktionen und Anwendungen auf Betriebssysteme umsteigen. Gleichzeitig betreten Unternehmen, die an die Arbeit mit elektronischen Systemen gewöhnt sind, mutig das Anwendungsfeld von Technologien und Anwendungen technischer Giganten. Premium-Autohersteller stehen nicht still und entwickeln ihre eigenen Betriebssysteme, Hardwareabstraktionen und Signalverarbeitungsmethoden, damit ihre Produkte in der Natur einzigartig sind.
Die obige Strategie hat Konsequenzen. In Zukunft warten wir auf die serviceorientierte Architektur (SOA) des Fahrzeugs, die auf gemeinsamen Computerplattformen basiert. Die Entwickler werden viele neue Dinge hinzufügen: Lösungen im Bereich des Zugangs zum Internet, Anwendungen,
Elemente der künstlichen Intelligenz , fortschrittliche Analysen und Betriebssysteme. Die Unterschiede werden nicht in der traditionellen Auto-Hardware liegen, sondern in der Benutzeroberfläche und in der Arbeit mit Software und fortschrittlicher Elektronik.
Autos der Zukunft werden auf eine Plattform neuer Markenwettbewerbsvorteile umsteigen.
Höchstwahrscheinlich werden sie Infotainment-Innovationen,
autonome Fahrfähigkeiten und intelligente Sicherheitsfunktionen umfassen, die auf „fehlertolerantem“ Verhalten basieren (zum Beispiel ein System, das seine Schlüsselfunktion ausführen kann, auch wenn ein Teil davon ausfällt). Die Software bewegt sich weiterhin im digitalen Stapel nach unten, um unter dem Deckmantel intelligenter Sensoren Teil der Hardware zu werden. Stacks werden horizontal integriert und erhalten neue Ebenen, die die Architektur in SOA umsetzen.
Modetrends verändern die Spielregeln. Sie wirken sich auf Software und elektronische Architektur aus. Diese Trends bestimmen die Komplexität und gegenseitige Abhängigkeit der Technologie. Beispielsweise werden neue intelligente Sensoren und Anwendungen einen
„Datenboom“ im Fahrzeug auslösen . Wenn Automobilunternehmen wettbewerbsfähig bleiben wollen, müssen sie Daten effizient verarbeiten und analysieren. Modulare SOA-Updates und drahtlose Updates (OTA) sind wichtige Voraussetzungen für die Unterstützung anspruchsvoller Flottensoftware. Sie sind auch sehr wichtig für die Implementierung neuer Geschäftsmodelle, in denen Funktionen auf Abruf erscheinen. Infotainmentsysteme und in geringerem Umfang
Fahrerassistenzsysteme (ADAS) werden immer häufiger eingesetzt. Der Grund dafür ist, dass es immer mehr Anwendungsentwickler von Drittanbietern gibt, die Produkte für Fahrzeuge anbieten.
Aufgrund der Anforderungen an die digitale Sicherheit ist eine herkömmliche Zugriffssteuerungsstrategie nicht mehr interessant. Es ist Zeit, ein
integriertes Sicherheitskonzept zu entwickeln , mit dem sich Cyberangriffe vorhersagen, verhindern, erkennen und vor ihnen schützen lassen. Wenn hochautomatisierte Fahrfähigkeiten (HADs) verfügbar sind, benötigen wir funktionale Konvergenz, überlegene Rechenleistung und einen hohen Integrationsgrad.
Studieren von zehn Hypothesen zur zukünftigen elektrischen oder elektronischen Architektur
Der Entwicklungspfad für Technologie und Geschäftsmodell ist noch nicht klar definiert. Auf der Grundlage unserer umfangreichen Forschungs- und Expertenmeinungen haben wir jedoch zehn Hypothesen zur zukünftigen elektrischen oder elektronischen Architektur des Autos und ihren Konsequenzen für die Branche entwickelt.
Zunehmend werden elektronische Steuergeräte (ECU / ECU) konsolidiert.
Anstelle vieler spezifischer Steuergeräte für bestimmte Funktionen (wie im aktuellen Modell im Stil von „Funktion hinzufügen, Fenster hinzufügen“) wird die Branche auf die einheitliche Architektur des Auto-Steuergeräts umsteigen.
In der ersten Phase wird sich der größte Teil der Funktionalität auf die integrierten Domänencontroller konzentrieren. Für die Domänen der Hauptfahrzeuge werden sie teilweise die Funktionen ersetzen, die jetzt in verteilten Steuergeräten verfügbar sind. Die Entwicklung ist bereits im Gange. Wir warten auf das fertige Produkt auf dem Markt in zwei bis drei Jahren. Es ist wahrscheinlich, dass eine Konsolidierung bei Stacks auftritt, die mit den ADAS- und HAD-Funktionen verbunden sind, während grundlegendere Fahrzeugfunktionen einen höheren Dezentralisierungsgrad beibehalten können.
Wir bewegen uns in Richtung autonomes Fahren. Daher wird die Virtualisierung von Softwarefunktionen und das Abstrahieren von Hardware einfach notwendig. Dieser neue Ansatz kann auf verschiedene Arten implementiert werden. Sie können Hardware zu Stacks zusammenfassen, die unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Latenz und Zuverlässigkeit erfüllen. Beispielsweise können Sie einen Hochleistungsstapel verwenden, der die Funktionalität von HAD und ADAS unterstützt, sowie einen separaten zeitgesteuerten Stapel mit geringer Latenz für grundlegende Sicherheitsfunktionen. Oder Sie können den Computer durch einen Backup- "Supercomputer" ersetzen. Ein anderes mögliches Szenario ist, wenn wir das Konzept einer Steuereinheit vollständig zugunsten eines intelligenten Computernetzwerks aufgeben.
Die Veränderungen sind hauptsächlich auf drei Faktoren zurückzuführen: Kosten, neue Marktteilnehmer und die Nachfrage nach HAD. Die Reduzierung der Kosten für die Entwicklung von Funktionen und der erforderlichen Computerausrüstung, einschließlich Kommunikationsausrüstung, beschleunigt den Konsolidierungsprozess. Gleiches gilt für Neueinsteiger auf dem Automobilmarkt, die die Branche mit einem programmorientierten Ansatz zur Fahrzeugarchitektur untergraben könnten. Die wachsende Nachfrage nach HAD-Funktionen und Redundanz erfordert auch einen höheren Grad an ECU-Konsolidierung.
Einige Premium-Autohersteller und ihre Zulieferer beteiligen sich bereits aktiv an der ECU-Konsolidierung. Sie unternehmen die ersten Schritte, um ihre elektronische Architektur zu aktualisieren, obwohl es derzeit noch keinen Prototyp gibt.
Die Branche wird die Anzahl der für bestimmte Geräte verwendeten Stapel begrenzen
Die Konsolidierungsverfolgung normalisiert Stapelbeschränkungen. Damit können Sie die Funktionen des Fahrzeugs und die Hardware des Computers, einschließlich der aktiven Nutzung der Virtualisierung, voneinander trennen. Die Hardware und Firmware (einschließlich des Betriebssystems) richtet sich nach den grundlegenden Funktionsanforderungen und nicht nach dem Funktionsbereich des Fahrzeugs. Um eine trennungs- und serviceorientierte Architektur bereitzustellen, müssen Sie die Anzahl der Stapel begrenzen. Das Folgende sind die Stapel, die in 5-10 Jahren die Basis für zukünftige Fahrzeuggenerationen werden können:
- Zeitgesteuerter Stapel. In diesem Bereich ist die Steuerung direkt mit dem Sensor oder dem Aktor verbunden, während Systeme hohe Anforderungen in Echtzeit erfüllen und gleichzeitig eine geringe Latenz haben müssen. Ressourcenplanung ist zeitbasiert. Dieser Stack umfasst Systeme, die ein Höchstmaß an Fahrzeugsicherheit erreichen. Ein Beispiel ist die klassische Domäne der Automobil-Open-Source-Architektur (AUTOSAR).
- Stapel getrieben von Zeit und Ereignissen. Dieser Hybrid-Stack kombiniert leistungsstarke Sicherheitsanwendungen, beispielsweise durch ADAS- und HAD-Unterstützung. Anwendungen und Peripheriegeräte werden vom Betriebssystem getrennt, während Anwendungen rechtzeitig geplant werden. Innerhalb einer Anwendung kann die Ressourcenplanung auf Zeit oder Priorität basieren. Die Betriebsumgebung ermöglicht die Ausführung kritischer Anwendungen in isolierten Containern, wobei diese Anwendungen klar von anderen Anwendungen im Fahrzeug getrennt sind. Ein gutes Beispiel ist adaptives AUTOSAR.
- Ereignisgesteuerter Stapel. Dieser Stapel konzentriert sich auf ein Infotainmentsystem, das für die Sicherheit nicht kritisch ist. Anwendungen sind klar von Peripheriegeräten getrennt und Ressourcen werden mithilfe einer optimalen oder ereignisbasierten Planung geplant. Der Stack enthält sichtbare und häufig verwendete Funktionen: Android, Automotive Grade Linux, GENIVI und QNX. Mit diesen Funktionen kann der Benutzer mit dem Fahrzeug interagieren.
- Wolkenstapel. Der letzte Stapel deckt den Datenzugriff ab und koordiniert ihn und die Funktionen des Fahrzeugs von außen. Dieser Stack ist sowohl für die Kommunikation als auch für die Überprüfung der Anwendungssicherheit (Authentifizierung) verantwortlich und richtet eine bestimmte Fahrzeugschnittstelle einschließlich der Ferndiagnose ein.
Autozulieferer und Technologiehersteller haben bereits begonnen, sich auf einige dieser Stacks zu spezialisieren. Ein markantes Beispiel ist das Infotainmentsystem (ereignisgesteuerter Stapel), bei dem Unternehmen Kommunikationsfähigkeiten entwickeln - 3D und erweiterte Navigation. Ein zweites Beispiel ist künstliche Intelligenz und Sensorik für Hochleistungsanwendungen, bei denen sich Zulieferer mit wichtigen Autoherstellern zusammenschließen, um Computerplattformen zu entwickeln.
In einem zeitgesteuerten Bereich unterstützen AUTOSAR und JASPAR die Standardisierung dieser Stapel.
Middleware abstrahiert Anwendungen von Hardware
Mit der Weiterentwicklung der Fahrzeuge hin zu mobilen Computerplattformen wird es die Middleware ermöglichen, Autos neu zu konfigurieren, ihre Software zu installieren und zu aktualisieren. Jetzt erleichtert die Middleware in jedem Computer die Kommunikation zwischen Geräten. In der nächsten Fahrzeuggeneration wird ein Domänencontroller mit Zugriffsfunktionen verknüpft. Die Middleware verwendet Steuergerätehardware im Auto und bietet Abstraktion, Virtualisierung, SOA und verteiltes Computing.
Es gibt bereits Hinweise darauf, dass Vertreter der Autoindustrie zu flexibleren Architekturen, einschließlich Middleware, übergehen. Beispielsweise ist die adaptive AUTOSAR-Plattform ein dynamisches System, das Middleware, Unterstützung für ein komplexes Betriebssystem und moderne Mehrkern-Mikroprozessoren umfasst. Die derzeit verfügbare Entwicklung ist jedoch auf nur einen Computer beschränkt.
Mittelfristig wird die Anzahl der Sensoren in der Luft deutlich zunehmen
In den nächsten zwei bis drei Fahrzeuggenerationen werden Autohersteller Sensoren mit ähnlichen Merkmalen einbauen, um ausreichende Sicherheitsreserven zu gewährleisten.
Langfristig wird die Automobilindustrie maßgeschneiderte Sensorlösungen entwickeln, um deren Menge und Kosten zu senken. Wir glauben, dass die Kombination von Radar und Kamera in den nächsten fünf bis acht Jahren die beliebteste Lösung sein könnte. Da die autonomen Fahrfähigkeiten weiter zunehmen, müssen Lidars eingeführt werden. Sie bieten Redundanz sowohl im Bereich der Objektanalyse als auch im Bereich der Lokalisierung. Um beispielsweise zu Beginn ein autonomes Fahren mit SAE International L4 (Hochautomatisierung) zu konfigurieren, benötigen Sie wahrscheinlich vier bis fünf Lidarsensoren, einschließlich derjenigen, die hinten für die Navigation in der Stadt und für eine Sichtbarkeit von fast 360 Grad installiert werden.
Langfristig ist es schwierig, etwas über die Anzahl der Sensoren in Fahrzeugen zu sagen. Entweder steigt oder sinkt ihre Anzahl oder sie bleiben gleich. Es hängt alles von den Vorschriften, der technischen Reife der Entscheidungen und der Fähigkeit ab, in verschiedenen Fällen mehrere Sensoren einzusetzen. Beispielsweise können gesetzliche Vorschriften die Fahrerkontrolle stärken, was zu einer Erhöhung der Anzahl von Sensoren im Fahrzeug führt. Es ist zu erwarten, dass im Fahrgastraum mehr Unterhaltungselektronik zum Einsatz kommt. Bewegungssensoren, Gesundheitsüberwachung (Herzfrequenz und Schläfrigkeit), Gesichts- und Iriserkennung sind nur einige der möglichen Anwendungen. Um die Anzahl der Sensoren zu erhöhen oder sogar alles so zu lassen, wie es ist, wird eine breitere Liste von Materialien benötigt, nicht nur in den Sensoren selbst, sondern auch im Fahrzeugnetz. Daher ist es viel rentabler, die Anzahl der Sensoren zu reduzieren. Mit dem Aufkommen hochautomatisierter oder vollautomatisierter Fahrzeuge können fortschrittliche Algorithmen und maschinelles Lernen die Leistung und Zuverlässigkeit von Sensoren erhöhen. Dank leistungsfähigerer und funktionaler Touch-Technologien werden möglicherweise keine zusätzlichen Sensoren mehr benötigt. Die heute verwendeten Sensoren sind möglicherweise veraltet - es werden funktionsfähigere Sensoren angezeigt (z. B. Ultraschallsensoren anstelle eines Parkassistenten auf der Basis einer Kamera oder eines Lidars).
Sensoren werden schlauer
Die Systemarchitektur benötigt intelligente und integrierte Sensoren, um die enormen Datenmengen zu steuern, die für ein hochautomatisiertes Fahren erforderlich sind. Übergeordnete Funktionen wie Sensorkombination und 3D-Positionierung funktionieren auf zentralen Computerplattformen. Die Zyklen der Vorverarbeitung, Filtration und schnellen Reaktion befinden sich wahrscheinlich an der Grenze oder laufen direkt im Sensor selbst ab. Einer Schätzung zufolge beträgt die Datenmenge, die ein autonomes Auto stündlich generiert, vier Terabyte. Infolgedessen wird künstliche Intelligenz vom Computer auf die Sensoren übertragen, um eine grundlegende Vorverarbeitung durchzuführen. Es erfordert eine geringe Latenz und Rechenleistung, insbesondere wenn Sie die Kosten für die Verarbeitung von Daten in Sensoren und die Kosten für die Übertragung großer Datenmengen in einem Fahrzeug vergleichen. Die Redundanz der Straßenentscheidungen in HAD erfordert jedoch eine Konvergenz für die zentralisierte Datenverarbeitung. Höchstwahrscheinlich werden diese Berechnungen auf der Grundlage vorverarbeiteter Daten berechnet. Intelligente Sensoren überwachen ihre eigenen Funktionen, während die Redundanz der Sensoren die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und damit die Sicherheit des Sensornetzwerks erhöht. Um den korrekten Betrieb des Sensors unter allen Bedingungen zu gewährleisten, sind Reinigungsanwendungen für die Sensoren erforderlich - Vereisungsschutzmittel und Mittel zum Entfernen von Staub und Schmutz.
Volle Leistung und redundante Datennetze erforderlich
Wichtige und geschäftskritische Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, verwenden vollständig redundante Zyklen für alles, was für ein sicheres Manövrieren (Datenübertragung, Stromversorgung) erforderlich ist.
Die Einführung elektromobiler Technologien , zentraler Computer und energieintensiver verteilter Computernetzwerke erfordert neue redundante Energieverwaltungsnetzwerke. Ausfallsichere Systeme, die die drahtgebundene Steuerung und andere HAD-Funktionen unterstützen, erfordern die Entwicklung von Redundanzsystemen. Dies wird die Architektur moderner Failover-Überwachungsimplementierungen erheblich verbessern.
Automotive Ethernet wird zum Rückgrat des Autos
Moderne Autonetze reichen nicht aus, um die Anforderungen zukünftiger Fahrzeuge zu erfüllen. Höhere Datenraten, Redundanzanforderungen für HAD, das Bedürfnis nach Sicherheit und Schutz in verbundenen Umgebungen und das Bedürfnis nach branchenübergreifend standardisierten Protokollen dürften zur Entstehung von Automotive Ethernet führen. Insbesondere für einen redundanten zentralen Datenbus wird es zu einem Schlüsselelement. Ethernet-Lösungen sind erforderlich, um eine zuverlässige domänenübergreifende Kommunikation zu gewährleisten und die Echtzeitanforderungen zu erfüllen. Möglich wird dies durch das Hinzufügen von Ethernet-Erweiterungen wie Audio Video Bridging (AVB) und zeitkritischen Netzwerken (TSN). Die Industrie und die OPEN Alliance unterstützen die Einführung der Ethernet-Technologie. Viele Automobilhersteller haben diesen großen Schritt bereits getan.
Herkömmliche Netzwerke wie lokal verbundene Netzwerke und Controllernetzwerke werden weiterhin im Fahrzeug verwendet, jedoch nur für geschlossene Netzwerke niedrigerer Ebene, beispielsweise in Sensoren. Technologien wie FlexRay und MOST werden wahrscheinlich durch Automotive Ethernet und seine Erweiterungen - AVB und TSN - ersetzt.
Wir gehen davon aus, dass die Automobilindustrie in Zukunft auch andere Ethernet-Technologien einsetzen wird - HDBP (High-Delay-Bandwidth-Produkte) und 10-Gigabit-Technologien.
OEMs werden die Datenkonnektivität für funktionale Sicherheit und HAD immer streng kontrollieren, jedoch Schnittstellen öffnen, damit Dritte auf die Daten zugreifen können.
Zentrale Kommunikations-Gateways, die sicherheitskritische Daten senden und empfangen, sind immer direkt mit dem OEM-Backend verbunden. Der Zugriff auf Daten steht Dritten offen, wenn die Regeln dies nicht verbieten. Infotainment ist eine "Anwendung" auf das Fahrzeug. - , OEM- , .
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Global Semiconductor Alliance.