Architekturentwicklung von softwaredefinierten Fahrzeugen

Mit dem Übergang zu Software-definierten Fahrzeugen (SDVs) erfährt die globale Automobilindustrie eine massive Umgestaltung. Von Differenzierungsstrategien bis hin zu Fahrzeugdesign und -fertigung bleibt kein Aspekt der Wertschöpfungskette von diesem Wandel unberührt.

So tiefgreifend dieser Wandel ist, so komplex und aufregend ist auch die architektonische Entwicklung, die dem Übergang zu SDVs zugrunde liegt - komplex deshalb, weil sie eine deutliche Abkehr von den domänenbasierten Architekturen bedeutet, mit denen die Branche nur allzu vertraut ist, und aufregend wegen der schieren Möglichkeiten, die sich daraus ergeben.

Lesen Sie in den folgenden Abschnitten, wie sich diese Entwicklung sowohl unter der Motorhaube als auch unter den Dächern der Branche, von der Forschung und Entwicklung bis hin zur Fertigung, abspielt.

Die traditionelle, domänenbasierte Architektur, die einst die Automobilelektronik bestimmte, ist in die Jahre gekommen. In der Vergangenheit wuchsen die Fähigkeiten eines Fahrzeugs durch die Schichtung von bereichsspezifischen Steuergeräten - eines für die Bremsen, ein anderes für das Infotainment und ein weiteres für den Antriebsstrang. Schätzungen gehen davon aus, dass moderne Fahrzeuge fast 150 Steuergeräte umfassenkönnen . Das SDV-Paradigma erfordert jedoch eine grundlegend andere DNA: eine, die agil und skalierbar ist und auf kontinuierliche Weiterentwicklung ausgelegt ist.

Bei SDVs ist die Funktionalität softwaregesteuert, nicht hardwaregebunden. Veraltete Steuergeräte erhöhen die Kommunikationslatenz, blähen die Verkabelung auf und erhöhen die Fertigungskomplexität. Dies steht im Widerspruch zu der Modularität und Echtzeit-Reaktionsfähigkeit, die SDVs erfordern. Die Antwort ist eine zonale Architektur: Konsolidierung der Berechnungen in leistungsstarken zentralen Plattformen, während regionale Zonensteuerungen lokalisierte Sensor- und Aktordaten verwalten.

Zonale Designs reduzieren das Kabelgewicht drastisch, rationalisieren die Diagnose und standardisieren die elektronischen Backbones für alle Modelle und Varianten. Dies reduziert nicht nur die Stückliste und die Montagezeit, sondern ermöglicht es den OEMs auch, variantenspezifische Hardware-Entscheidungen näher an die Produktion heranzuführen, was eine noch nie dagewesene Flexibilität ermöglicht. Über den gesamten Lebenszyklus des Fahrzeugs erleichtern zonale Designs schnellere OTA-Updates und modulare Reparaturen und senken die Gesamtbetriebskosten.

Da die Hardware-Variationen zwischen den Ausstattungsvarianten und Modelljahren geringer sind, können die OEMs ihre Forschungs- und Entwicklungskosten über mehrere Fahrzeuge hinweg amortisieren und sogar Konfigurationen spät im Produktionszyklus anpassen, ohne das gesamte Fahrzeug neu zu entwickeln.

Die zonale Architektur beseitigt viele der logischen und physischen Engpässe, die mit SDVs nicht kompatibel sind. Ergänzt wird dieses neue Konzept durch ein neues Elektronik- und Softwaregerüst, das auf Hochleistungsrechnern (HPCs), Virtualisierung und Abstraktionsschichten basiert. Steuergeräte werden durch zonale Gateways und zentralisierte Rechencluster ersetzt , auf denen ein Echtzeitbetriebssystem (für sicherheitskritische Schleifen) und ein Allzweckbetriebssystem (für unkritische Dienste und Datenverarbeitung) laufen.

In der Regel wird die Virtualisierung genutzt, um CPU- und GPU-Ressourcen für die Ausführung isolierter Arbeitslasten wie ADAS-Wahrnehmung, Motorreaktion und Cockpit-Infotainment zu partitionieren. Die E/A-Virtualisierung ermöglicht jeder VM einen nahezu nativen Zugriff auf Sensoren und Aktoren mit Latenzzeiten im Millisekundenbereich. Hardware-Abstraktionsschichten und Middleware stellen dann einheitliche APIs zur Verfügung, so dass Entwickler portable Microservices schreiben können, anstatt Gerätetreiber für jeden Chip neu zu schreiben.

Dieser Stack bietet drei entscheidende Vorteile: deterministische Leistung für Sicherheitsfunktionen, schnelle OTA-Funktionsbereitstellung und die Flexibilität, Software über Fahrzeuglinien hinweg wiederzuverwenden. Mit diesen unbestreitbaren Vorteilen wird dieser neue Stack eine Umstrukturierung in der gesamten automobilen Wertschöpfungskette auslösen. OEMs, Tier-1-Zulieferer und Siliziumanbieter werden sich von Transaktionspartnern zu Co-Innovationspartnern entwickeln. In diesem kollaborativen Ökosystem konzentrieren sich die Hardwarehersteller auf die Leistungs- und Sicherheitszertifizierung, während die OEMs und die Softwarehersteller die Funktionen kontinuierlich weiterentwickeln.

Die serviceorientierte Architektur (SOA) passt perfekt zu zonalen SDV-Designs und bringt Ordnung in den Software-Stack, indem sie Infrastruktur-, Anwendungs- und Präsentationsbelange sauber voneinander trennt. Im Kern behandelt SOA jede Funktion wie Routenplanung, Batteriemanagement und Sprachsteuerung als unabhängigen Dienst, der über klar definierte Middleware-Kanäle und nicht über monolithische Steuergeräte-Busse kommuniziert.

In diesem dreischichtigen Modell beherbergt die Infrastrukturebene Hardwareabstraktion, Virtualisierung und Datenrouting-Middleware. Sie stellt HPC-Ressourcen und sichere Nachrichtenbusse bereit und sorgt dafür, dass jeder Dienst die CPU-Zyklen, den Speicher und die Sensoreinspeisungen erhält, die er benötigt. Die Treiber müssen nicht für jede Siliziumvariante neu geschrieben werden.

Darüber hinaus führt die Anwendungsschicht diskrete Microservices aus: ADAS-Algorithmen, Energieoptimierungsroutinen, OTA-Update-Manager und Anwendungen von Drittanbietern. Jeder Dienst kann unabhängig voneinander versioniert, skaliert oder zurückgesetzt werden, wodurch die Einführung von Funktionen beschleunigt und Fehler isoliert werden. Die Middleware kümmert sich um die Ressourcenzuweisung, die Erkennung von Diensten und die Ende-zu-Ende-Verschlüsselung, so dass sicherheitskritische Schleifen deterministisch bleiben, während sich nicht-kritische Dienste im Startup-Tempo weiterentwickeln.

Schließlich fügt die Präsentationsschicht diese Dienste zu einer kohärenten Benutzeroberfläche zusammen. Da die UI-Komponenten dieselben Service-APIs nutzen, können OEMs Dashboards aktualisieren oder neue HMI-Paradigmen einführen, ohne die Kernlogik des Fahrzeugs anzutasten.

Durch die Nutzung von Diensten können Automobilhersteller, Tier-1s und Softwarepartner von starren Lieferketten zu einer kooperativen Plattformwirtschaft übergehen, in der die Dienste aller Beteiligten in ein gemeinsames Middleware-Chassis eingebunden sind.

Bis 2030 wird der Anteil der Software an der Fahrzeug-Stückliste von unter 10 % auf 50 %steigen . Dieser Anstieg wird Autos in sich ständig weiterentwickelnde digitale Plattformen verwandeln - denken Sie an App-Marktplätze, Funktionsabonnements und zweiwöchentliche OTA-Verbesserungen. OEMs werden mehr über die Qualität des Codes als über die Pferdestärken konkurrieren, da die Hardware zur Massenware wird. In dieser Realität, die viel näher ist, als es den Anschein hat (Investoren belohnen bereits diejenigen, die auf die Umstellung auf SDVs setzen), werden sich die Entwicklungszyklen von Jahren auf Monate verkürzen, und globale strategische Partnerschaften in den Bereichen Software, Silizium und Mobilität werden die Marktführer bestimmen.