Herausforderungen und Lösungen für das Design moderner Automobilelektroniksysteme

In den letzten zehn Jahren haben sich Automobile von eigenständigen mechanischen Objekten zu hochgradig vernetzten Systemen mit ständig zunehmendem Einsatz von Elektronik gewandelt. Unterbrechungen der Halbleiterversorgung (Schließungen von OEM-Fabriken), die durch die jüngste Situation mit Covid und die politischen Spannungen und China verursacht wurden, haben die tiefe Abhängigkeit der Automobilindustrie von Halbleitern aufgezeigt. Obwohl diese Ereignisse vorübergehender Natur sind, haben sie tiefere zugrunde liegende tektonische Verschiebungen in der grundlegenden Natur der Automobilzulieferkette aufgedeckt. Ein früherer Artikel ”Automobilhersteller und die neue Normalität (forbes.com)" diskutierten den psychologischen Wandel, der in den Machthallen der Automobilindustrie erforderlich ist, um sich mit der neuen Situation auseinanderzusetzen. Dieser Artikel nimmt eine eher technologische Perspektive ein, um das Problem sowie die für eine Lösung erforderlichen strategischen Vektoren zu erklären.

Abb. 1 unten zeigt den traditionellen Automobillebenszyklus, der aus Design, Verifizierung und Validierung, Wartung und End-of-Life-Zyklus besteht. Das Design konzentriert sich auf Themen wie funktionale Definition, Herstellungskosten, Zuverlässigkeit und Wartbarkeit. In einem idealen Ablauf wird die Spezifikation in einer höheren Sprache erfasst und durch einen Prozess sukzessiver Verfeinerungen werden Komponenten ausgewählt, um die Systemfunktion auszufüllen. Bei elektronischen Systemen werden Halbleiterkomponenten zu einem Gesamtsystem zusammengesetzt. Auf dem ganzen Weg erlegt die Integration der Spezifikation mit den entworfenen Komponenten den neu integrierten Teilen Disziplin auf, um eine originalgetreue Implementierung sicherzustellen, die die beabsichtigten Leistungsmetriken erfüllt.

Verständnis des traditionellen Automobildesign-Ökosystems

Automotive-Lebenszyklus — Abbildung 1: Automobillebenszyklus

Mit der Reifung der Automobilindustrie hat auch die Versorgungs- und Entwicklungsinfrastruktur einen Standardisierungs- und Reifegrad erreicht. Tabelle 1 skizziert die bekannte Zuliefererstruktur für die Automobilindustrie mit Original Equipment Manufacturers (OEMs), Tier-1-, Tier-2- und Tier-3-Zulieferern. Tabelle 2 zeigt das High-Level-Strukturentwicklungsökosystem, das die Lieferkette unterstützt. Eine tiefergehende, eher technische Analyse der aktuellen elektronischen Designkette finden Sie in „Offene Themen zu automatisierten Fahrsystemen und dem Entwicklungsökosystem"

Tabelle 1: Traditionelle Automobilzulieferkette

Elektronischer Paradigmenwechsel im Automobildesign

Schon vor dem Aufkommen von AVs hatte der Automobilsektor das Niveau elektronischer Inhalte mit Drive-by-Wire, Fahrerassistenzsystemen (ADAS) und Infotainmentsystemen schnell erhöht. Damit bildet die Elektronik gewissermaßen das muskulöse Nervensystem moderner Fahrzeuge. Zwei bedeutende Trends fügen elektronische Inhalte mit zunehmender Geschwindigkeit hinzu.

Unternehmensfunktionen: Das Automobil befindet sich in einer breiten Palette von Technologieflüssen, die mit der Infrastruktur in Funktionen wie Wartung, E-Commerce, Verkehrsmanagement und mehr interagieren. Die Kombination aus Zugriff auf Fahrzeugdaten und Fernsteuerung des Fahrzeugs ermöglicht Geschäftsabläufe auf höherer Ebene, die einen erheblichen Mehrwert generieren. Tatsächlich werden gerade die Datendienste von Automobilen voraussichtlich eine bedeutende Einnahmequelle für Automobil-OEMs von Unternehmen wie Otonomo und Wejo sein. SAE-Forschungsbericht über die Transport-Ökosystem bietet einen umfassenden Überblick über dieses Ökosystem.
Autonomiefunktionen: Autonomie auf ihren verschiedenen Ebenen von ADAS bis Level 5 AV verspricht den Wert von Sicherheit, Zugriff und Aktivierung der Automatisierung auf Systemebene.

Diese Verschiebung in der grundlegenden DNA eines Automobils ist in der folgenden Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Veränderte DNA von Automobilen.

Tabelle 3: Generationsentwicklung von Automobilelektronik und -software

Tabelle 3 oben zeigt die Generationsentwicklung der Automobilelektronik aus der Perspektive der Infrastruktur der Elektroniktechnologie. Zu diesen elektronischen Systemen können mehrere Beobachtungen gemacht werden:

Halbe Versorgungsabhängigkeit: Die Funktionalität der älteren Generation bezieht im Allgemeinen Halbleiter aus älteren Generationen von Halbleiterprozessen.
Sicherheitskritisch und in Echtzeit: Das Auto ist ein Multi-Tonnen-Fahrzeug, das großen Schaden anrichten kann. Daher haben die elektronischen Systeme, die die Fahrzeugdynamik eng steuern, einen hohen Sicherheitsstandard und müssen in Echtzeit arbeiten. Dies spricht oft für dedizierte und isolierte elektronische Systeme.
Erweiterte digitale Verarbeitung: Funktionalitäten, die von Infotainment bis Autonomie reichen, erfordern eine erhebliche digitale Verarbeitung und riesige Mengen an Software. Um diese Rechenklasse zu unterstützen, sind die fortschrittlichsten Halbleiterprozessknoten erforderlich.

Jedes bestimmte Automobilprodukt ist eine Sammlung dieser Systeme, bei denen Systemdesigner aktive Kompromisse zwischen der Wiederverwendung älterer Subsysteme eingehen und sicher neue Funktionen, Leistung und Gesamtkosten hinzufügen. Mit anderen Worten, eine unglaublich komplexe Situation mit einer unglaublich großen Anzahl von Halbleiterteil-Skews mit zugehörigen Softwarekomponenten.

Inzwischen hat die Halbleiterindustrie ihre eigenen strategischen Vektoren:

Herstellungskosten: Leading-Edge-Fabs sind sehr teuer und erfordern sehr große Volumina, um rentabel zu sein. Ältere Fabriken benötigen aufgrund der Kapitalanforderungen im Vergleich zu neueren Fabriken weniger Volumen.
Verbrauchermarktplatz: Heute ist der Verbrauchermarkt die einzige Branche, die ein ausreichendes Volumen generieren kann, um diese Investitionen zu rechtfertigen. Der Verbrauchermarkt wechselt alle 18 bis 24 Monate Produkte.
Moores Gesetz: Das Mooresche Gesetz senkt die Kosten pro Transistor exponentiell, während gleichzeitig die Leistung erhöht und der Stromverbrauch reduziert wird. Das Ergebnis all dieser magischen Eigenschaften ist, dass es fast immer besser ist, den neuesten Prozessknotenchip zu verwenden, da er nicht nur billiger ist, sondern auch viel bessere Leistungseigenschaften aufweist. Dies ist häufig auch dann der Fall, wenn Chips älterer Prozessknoten „kostenlos“ erhältlich sind, da die Betriebskosten (Leistung/Leistung) der älteren Chips im Vergleich zur nächsten Generation schlechtere Eigenschaften aufweisen.

Schlüsselherausforderungen beim Design elektronischer Systeme für Kraftfahrzeuge

Insgesamt folgt die Halbleiterindustrie dem Rhythmus des Verbrauchermarktes, und dieser Gegensatz in strategischen Vektoren erzeugt kritische Herausforderungen für alle Nicht-Verbrauchermärkte wie die Automobilindustrie. Die kritischen Herausforderungen manifestieren sich rund um drei spezifische Themen: Produktion neuer Produkte, Garantieunterstützung und Plattformrelevanz.

Produktion neuer Produkte:

Bei der Produktion neuer Produkte hat sich die Automobilindustrie traditionell auf Konzepte der schlanken Fertigung und des JIT-Bestandsmanagements (Just In Time) konzentriert, das der Minimierung der Lagerbestände in allen Phasen der Produktion Priorität einräumt. In einer Welt, die von OEM-getriebener Nachfrage dominiert wird, hat dieses Paradigma ziemlich gut funktioniert. Mit dem beschleunigten Einsatz von Elektronik sehen sich Automobil-OEMs jedoch zunehmend in der Lage, eine Lieferkette zu verwalten, in der sie die Nachfragetreiber in der Minderheit sind.

Darüber hinaus benötigen traditionelle Automobilunternehmen ähnlich wie das US-Verteidigungsministerium Chips, die eine Zertifizierung nach Automobilqualität erfordern. Komponenten in Automobilqualität erfordern strenge Konformitäten (passive Komponenten benötigen die Qualifikation AEC Q200, ASILI/ISO 26262 Klasse B, IATF 16949, während aktive Komponenten (einschließlich Automobilchips) mit den Standards AEC Q100, ASILI/ISO 26262 Klasse B, IATF 16949 konform sein sollten. Diese Anforderungen werden jedoch vom viel größeren Verbrauchermarkt nicht berücksichtigt, und die Divergenz stellt eine große Einschränkung für die Automobilzulieferkette dar. Wie in „Lösungen für die Lieferkette von Verteidigungselektronik… – SemiWiki“, reagierte das US-Verteidigungsministerium auf diese Realität mit einem aggressiven Commercial-of-the-Shelf-Ansatz (COTS).

Garantieunterstützung:

Anders als Verbrauchergeräte haben Autos ein viel längeres und ausgefeilteres Garantiemodell. Dies führt zu einer viel breiteren Wartungsverpflichtung (im Vergleich zum Verbraucher). Diese Dichotomie zwischen dem Verbraucher- und dem Automobilmarkt führt in zwei spezifischen Situationen zu erheblichen Problemen: Zuverlässigkeit und Veralterung.

Zuverlässigkeit: Halbleiterfabriken werden basierend auf der Wirtschaftlichkeit des Verbrauchermarktes gebaut. Der Bau von Halbleitern mit den erforderlichen Zuverlässigkeitseigenschaften für den Automobilmarkt wird immer teurer.
Veralten: In der „neuen Normalität“, in der Automobil-OEMs die Halbleiter-Lieferkette nicht mehr beeinflussen können, wird die Verwaltung der Halbleiter-Obsoleszenz zu einem immer schwierigeren Thema. Darüber hinaus ist Obsoleszenz nicht nur auf Hardware im Elektronikbereich beschränkt. Vielmehr erstreckt es sich auf Softwarekomponenten, Electronic Design Automation (EDA)-Software, die verwendet wird, um elektronische Systeme zu entwerfen/zu warten.

Wettbewerbsfähigkeit der Plattform:

Wenn Autos von „einem Auto mit etwas Elektronik“ zu einem „Server, der sich zufällig bewegt“ werden, beginnen Autos, die Vor- und Nachteile von Computerplattformen zu übernehmen. Ähnlich wie die heutigen Automobile begannen Computerplattformen als vertikal integrierte HW/SW-Systeme, entwickelten sich aber im Laufe der Zeit zu Architekturplattformen mit klaren Schnittstellen, um ein viel breiteres Partnernetzwerk zu ermöglichen. Durch die Nutzung des Partnernetzwerks könnten Computerplattformen eine enorme Menge an Funktionalität bereitstellen. Tatsächlich ist die heutige Softwareindustrie, die die aktuelle Automobil- und Hardware-Computing-Industrie in den Schatten stellt, ein Ergebnis dieses Modells.

Beliebte Computerplattformen umfassen die Ökosysteme, die mit Computerarchitekturen wie x86, ARM, Nvidia und jetzt RISC-V verbunden sind. Zu diesen Computerarchitekturen gehören Betriebssysteme wie Microsoft Windows, UNIX und Apple OS. Ein wichtiger Akteur in der Welt der Software ist schließlich die Rolle des Open-Source-Entwicklungsmodells. Open-Source-Plattformen wie Linux und Android ermöglichen das Crowdsourcing von Innovationen in einem Modell, das Innovationen beschleunigt. Eine viel tiefere Behandlung von Open-Source und Automotive findet sich unter: „Ungeklärte Fragen zu autonomen Fahrzeugen und Open-Source-Software"

Das Wachstum des Automobils als Plattform wirft offene strategische Fragen auf:

Wie konkurriert man auf Plattformebene? Mit bestehenden Computerplattformen zusammenarbeiten oder konkurrieren? Ist Open Source eine Antwort?
Wie geht man in einer vernetzten Fahrzeugsituation sicher mit Produktaktualisierungen und Cybersicherheitsproblemen um?

Aktueller Stand und strategisches Vorgehen:

Neuere Engagement-Modelle entwickeln sich (Quelle: BCG-Bericht) — Tabelle 4: Entwicklung neuerer Engagement-Modelle (Quelle: BCG-Bericht)

Angesichts der Bedeutung des Problems gibt es in letzter Zeit viele Aktivitäten zwischen Automobil-OEMs und der Elektroniklieferkette. Tabelle 4 (BCG-Bericht) oben enthält eine Stichprobe der Aktivität. Es ist nicht klar, ob diese Bemühungen erfolgreich sein werden, da zur Lösung der tiefgreifenden zugrunde liegenden Probleme wahrscheinlich eine breitere branchenweite Anstrengung erforderlich sein wird. Was wären die Umrisse einer Lösung? Sie werden sich um drei spezifische Themen drehen: Abstraktionen auf Systemebene, Entwicklung von Halbleiterplattformen und EDA-Funktionalität. Lassen Sie uns jedes besprechen:

Abstraktionen auf Systemebene:

Als erster großer Elektronik-Megamarkt hat sich die Computertechnik über XNUMX Jahre lang aktiv der durch Halbleiter verursachten Abwanderung gestellt. Um diese Situation zu bewältigen, wurden sehr starke Abstraktionsebenen generiert, um Schnittstellen zu erstellen, die den Erhalt des geistigen Eigentums auch im Kontext der zugrunde liegenden Hardwareänderung ermöglichen. Beispiele für diese Abstraktionsebenen sind:

Computer-Befehlssatz-Architekturen: Seit IBM 360 hat das Konzept einer ISA es Softwareentwicklern ermöglicht, bedeutende Fähigkeiten in Richtung eines abstrakten Standards aufzubauen, während die zugrunde liegende Hardware im Tempo von Moores Gesetz schwankte. X86, ARM und jetzt RISC-V sind Beispiele für die milliardenschweren Franchises, die von dieser Abstraktion unterstützt werden.
Betriebssysteme/Browser/Entwicklungssprachen: Betriebssysteme wie Windows oder Linux, Browser wie Google Chrome und Microsoft Edge und Entwicklungssprachen wie JAVA oder C++ boten weitere wichtige Abstraktionspunkte, die ein breiteres Ökosystem unterstützten.
Kommunikation: In der Welt der Kommunikation, Netzwerkstacks und Wireless-Standards aufgebaute Abstraktionen, die Multi-Milliarden-Dollar-Industrien unterstützten.

Die Automobilindustrie muss ähnliche Abstraktionsstandards aufbauen, die eine Trennung von Anliegen von Funktionen auf höherer Ebene zu ihren tatsächlichen Implementierungen unterstützen können. Die aktuellen Standards aus der Welt der Computer werden ausnahmslos nützlich sein, aber Automobil-spezifische Abstraktionen auf höherer Ebene und zugehörige Standards werden erforderlich sein. Es ist besonders wichtig, dass diese Standards die kritischen Probleme im Automobilbereich ansprechen: Low-Level-Low-Level-Ansteuerung mit geringer Latenz, Echtzeitbetrieb, Cybersicherheitsschnittstellen und schließlich die wichtigsten Bausteine der Autonomie.

Entwicklung von Halbleiterplattformen:

Mit klaren Abstraktionen um Kernkomponenten eines Fahrzeugsystemdesigns besteht die nächste Aufgabe darin, elektronische Systeme zu bauen, die diese Abstraktionen implementieren. Heutzutage sind die überwiegende Mehrheit der Automobillösungen Hardware- und Softwaresysteme mit fester Funktion, die eine große Anzahl von Abhängigkeiten in der Lieferkette erzeugen. Es ist jedoch sehr wahrscheinlich, dass die endgültige Lösung die Entwicklung automobilspezifischer programmierbarer Stoffe beinhalten wird. Eine Methodik, die sich auf programmierbare Fabrics konzentriert, hat folgende deutliche Vorteile:

Veralterung von Teilen: Eine kleinere Anzahl programmierbarer Teile minimiert Bestandsabweichungen, und die Aggregation von Funktionen um eine kleine Anzahl programmierbarer Teile herum erhöht das Volumen dieser Teile und minimiert somit die Wahrscheinlichkeit einer Veralterung von Teilen.
Redundanz für Zuverlässigkeit: Die Zuverlässigkeit kann durch Redundanz innerhalb und mehrerer programmierbarer Geräte stark verbessert werden. Ähnlich wie beim RAID-Speicher kann man große Teile einer programmierbaren Struktur unprogrammiert lassen und die Funktionalität basierend auf erkannten Fehlern dynamisch verschieben.
Zukünftige Funktion: Die Programmierbarkeit ermöglicht die Verwendung von „over the air“-Updates, die die Funktionalität dynamisch aktualisieren. Dies ist entscheidend für den Aufbau starker Aftersales-Geschäftsmodelle und Fernwartung.

EDA-Funktionalität:

Um die Verbindung zwischen den Systemabstraktionen und der Verbindung programmierbarer Fabrics zu verwalten, besteht schließlich die Notwendigkeit für die nächste Generation von EDA-Tools und zugehörigem Laufzeit-IP. Die EDA-Systeme sind die kritischen Assets, die automatisch den Mapping-Prozess und die damit verbundenen Laufzeit-Updates für die Funktion verwalten. Für eine tiefere Erörterung der EDA-Themen schauen Sie bitte hier vorbei www.anew-da.ai

Schlussfolgerungen:

Die Automobilindustrie befindet sich mitten in einem großen Übergang von einem primären Fokus auf die Mechanik zu einem intensiven Fokus auf die Elektrik (HW/SW/AI). Aus strategischer Sicht müssen sowohl die Phase der Umweltprüfung als auch die interne Analyse die Auswirkungen dieser Verschiebung auffangen. Während inkrementelle Aktualisierungen des Designs und des Lieferantenmanagements kurzfristig funktionieren können, ist es sehr wahrscheinlich, dass langfristig eine automobilspezifische Architektur (gemeinsame Chipspezifikationen) mit zugehörigen SW/AI/EDA-Abstraktionsebenen erstellt werden muss auf Branchenebene.

Danksagung: Anurag Seth für das Co-Autoren dieses Artikels.