Controllersalat ade! Virtualisierung macht's möglich: Softwaredefinierte Fahrzeuge

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Die komplexe Elektonik macht E-Cars anfällig und Reparaturen oft teuer. Das könnte sich mit neuen Controller-Technologien ändern, die in den Startlöchern stehen. Ziel ist, die Controller-Vielfalt erheblich zu begrenzen.

Im Frühjahr brachte das Nachrichtenmagazin „Der Spiegel“ einen Artikel (Print-Ausgabe 12/2024, S. 100) einen kritischen Artikel über E-Cars und ihre Reparaturanfälligkeit. Ein Kritikpunkt: Die komplexe Elektronik.

Wie komplex sie wirklich ist, versteht man, wenn man weiß, dass in einem Stromer heute zwischen knapp 30 und bis zu 150 unterschiedlicher Controller stecken, die alle Funktionen des Fahrzeugs überwachen und steuern. Die gesamte Auto-Software umfasst oft mehr als 200 Millionen Codezeilen.

Problem Integration

Das ist auch kein Wunder, denn das Ziel von Software-defiined-Vehicle-Ansätzen ist es, Funktionen von Fahrzeugen komplett zu digitalisieren und über Software zu steuern, die unabhängig von der Hardware ist. Die Applikationen arbeiten heute auf den einzelnen Controllern, die oft genug proprietäre Designs sind. Deren Integration ist hoch komplex.

Der Controllerzoo erzeugt unter anderem jede Menge Gewicht. Denn sie wiegen selbst etwas und brauchen Kabel, mit denen sie an andere Komponenten angebunden sind. Auch die Entwicklung der Software für das SDV, die Integration der einzelnen Controller und Software-Elemente zu einem funktionierenden Gesamtsystem und ihre stetige Aktualisierung werden durch das bisherige Design extrem schwierig. Denn jede Aktualisierung einer Software kann dazu führen, dass die Gesamtintegration nicht mehr funktioniert.

Virtualisierung bislang unmöglich, aber nötig

Ansätze wie die im Bereich der stationären IT längst üblichen Virtualisierung ließen sich im Auto bislang nicht umsetzen. Und zwar ganz einfach deshalb, weil es für die Echtzeit-Ansprüche bei der Automobilsteuerung keinen passenden Prozessor gab.

Eine weitere Anforderung, für die es ebenfalls eines modernen, an die stationäre IT angelehntes Plattformdesigns bedarf: Softwarefunktionen sollen sich innerhalb des E-Cars von einem Controller auf einen anderen verschieben lassen.

Sie sollen sich auch mehrfach bei verschiedenen Fahrzeugtypen verwenden lassen. Das würde den Entwicklungsaufwand der Autobauer erheblich verringern.

Basis für neue Geschäftsmodelle

Zudem unterstützt moduare, standardisierte Software, die auf Plattformen läuft, das Geschäftsmodell der Autoanbieter. Sie wollen nämlich Autofahrer nach dem Kauf des Autos durch stetig neue und verbesserte Softwareservices davon überzeugen, immer wieder in Car-Softwareservices zu investieren. So sollen neben dem Verkaufspreis neue Einkommensströme entstehen.

Ob und für was Autofahrer freilich bereit oder auch nur finanziell in der Lage sind, neben den teuren E-Cars auch noch ständig Abo-Gebühren zu zahlen, ist sehr fraglich. Allerdings, so meint zumindest NXP, ist genug Raum für intelligente neue Geschäftsprozesse, beispielsweise Pay per Use statt traditionelles Abonnement der Softwarefunktionen.

Virtualisierbarer Echtzeit-Prozessor

NXP ist in diesem Jahr mit einer neuen, zentralen Controller- und Entwicklungsplattform auf den Markt gekommen. Sie ermöglicht die Zentralisierung zentraler Softwarefunktionen von SDV auf nur einem Controller. Herzstück der Plattform „S32 CoreRide Open Platform“ ist die Prozessorfamilie „S32N“.

Diese „Super-Integrationsprozessoren für Fahrzeuge“ (NXP) auf Basis eines „AMD Cortex“ ermöglichen erstmalig trotz der Echtzeitanforderungen die Virtualisierung des Prozessors, also seine Nutzung für unterschiedliche Funktionen zur gleichen Zeit auf isolierter Hardware des virtualisierten Prozessorkerns. Jeder Prozess erhält dabei einen eigenen, physisch separierten Speicherbereich. Außerdem bringt der Prozessor TSN (zeitsensitive Vernetzung) und zahlreiche Sicherheitsfunktionen mit.

Auf dem zentralen Controller laufen alle Kernfunktionen der SDVs. Dazu gehören zum Beispiel Energiemanagement, Statuskontrolle, Ressourcenmanagement, Datenintelligenz, Vernetzung, Sicherheit und Funktionsfähigkeit.

Innovation statt Integrationsaufwand

Henri Ardevol, bei NXP General Manager Automotive Embedded Systems: „70 Prozent des Aufwandes bei einer neuen Fahrzeughardware entfallen heute auf die Neuentwicklung oder Re-Integration der Softwarefunktionen.“ Dieser Aufwand könne sich drastisch verringern. Dadurch würden Ressourcen frei, die in Innovationen fließen könnten (oder in Preissenkungen).

Software kann über drahtlose Netze aktualisiert werden, ohne am übrigen Design des Fahrzeugs etwas zu ändern. Je nachdem, wie viele Funktionen auf dem Prozessor integriert werden, werden andere Controller überflüssig, was das Gewicht und die Komplexität der Verkabelung reduziert.

Zonen-Controller, Aktuatoren und Steuerungsdisplay

Allerdings geht auch NXP nicht davon aus, dass alle Funktionen auf dem zentralen Prozessor landen. Deshalb gibt es kleinere Zonen-Controller, die weniger wichtige Funktionen übernehmen können und mit dem Zentralcontroller kommunizieren. Hier muss auch nicht unbedingt der S32N als Prozessorbasis integriert werden, der heute noch recht teuer ist.

Weitere Komponenten sind so genannte Zone-Controller, die eher periphere Funktionen übernehmen. Dazu kommen Boards mit Aktuatoren. Die Zonencontroller und Aktuatoren können mit anderen, weniger leistungsstarken Prozessoren ausgerüstet sein und sind deswegen günstiger. Die Steuerung erfolgt über ein Fahrzeugdisplay, mit dem beispielsweise die Fahrfunktionen überwacht, aber auch Instant-Updates mit neuen Softwarefunktionen angestoßen werden können.

Cloud-basierte Software-Entwicklung

Es wird aber nicht vorausgesetzt, dass die gesamte Peripherie mit NXP arbeitet. Vielmehr könnten die Autobauer beschließen, für Teilfunktionen ihre eigenen Controller und Protokollwelten zu verwenden, um Investitionen in geistiges Eigentum zu schützen. Die Verbindung zwischen proprietärer und NXP-Welt könnte dann über Gateways hergestellt werden.

Außerdem liefert NXP eine Cloud-basierte Entwicklungsumgebung für das Design von Softwarefunktionen und ihren Test in der „Coreride“-Umgebung. Mit diesem Cloud-basierten Ansatz steht NXP nicht allein da. Auch Siemens hat heuer eine Cloud-basierte Entwicklungsumgebung vorgestellt, die auf den „ARM Cortex-A720AE“ zielt, die nächste Cortex-Generation für mobile Einsatzfelder.

Zahlreiche Softwarepartner

Allerdings hat NXP mit Hilfe seines zentralen Controllers vor, Hardware und Software bis zur Middleware zu einer einzigen Schicht zu integrieren. Bisher sind diese beiden Ebenen getrennt. Helfen tun dabei Softwarepartner.

Denn, davon gibt sich Martin Alves, Senior vice President und General Manager Automotive Microcontroller bei NXP überzeugt: „Hard- und Software bis zu den Apps, die exklusiv von den Autobauern selbst stammen, müssen gemeinsam entwickelt werden, damit die Auto-Software portabel und integrierbar ist.“ Zu den Softwarepartnern gehören etwa die österreichische TTTech Auto, Green Hill Software, ein Spezialist für Realtime-Hypervisoren, Vector oder Archermind.

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