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(R)Evolution der Automotive-Software-Architekturen

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Mikroprozessor-basierte Computer erobern das Fahrzeug

Im vorherigen Abschnitt haben wir das Umfeld beschrieben, in dem sich die Automobilsoftware in den vergangenen Jahrzehnten iterativ weiterentwickelt hat. Die zunehmende Vernetzung des Automobils inklusive seiner Komponenten sowie die Einführung der Mikroprozessor-Technologie im Fahrzeug führen aktuell zu einer disruptiven Änderung der Automobilsoftware.

Dabei ist zu bemerken, dass die Infotainment-Anwendungen bereits seit Jahren auf Mikroprozessor basierten Systemen mit Linux Betriebssystemen arbeitet. Damit sind einige der Aussagen in den nachfolgenden Abschnitten nur in Teilen für die Infotainment-Domäne zutreffend.

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Aufgrund der geringeren Anforderungen bezüglich Funktionaler Sicherheit und deutlich geringeren Realzeitanforderungen entwickelten sich die Infotainment-Anwendungen separat von den Embedded-Anwendungen. Mit der Integration von Anwendungsfunktionen unterschiedlicher Domänen auf gemeinsamen Fahrzeugrechnern laufen die bisherigen Entwicklungswege wieder verstärkt auf einander zu.

Anstieg der Rechnerressourcen

Der offensichtlichste Effekt bei der Einführung der Mikroprozessoren liegt in den verfügbaren höheren Rechnerressourcen. Während einem modernen Motorsteuergerät ein Speicher von bis zu 8 MB zur Verfügung steht (in dem neben der Anwendungssoftware auch das Realzeitbetriebssystem und Basis Software realisiert sind), besitzen die ersten Mikroprozessor-basierten Systeme 8 GB Speicher (SOP 2020) und Nachfolgesysteme 128 GB (SOP 2023). Obwohl dies aus Sicht der Consumer-Elektronik immer noch gering erscheint, hat dieser Zuwachs um einen Faktor von 1000 (SOP 2020) bzw. 16000 (SOP 2023) Auswirkungen, die über die reine Verfügbarkeit des Speichers weit hinausgehen.

Die früher vorhandene Trennung der domänenspezifischen Software auf dedizierte Steuergeräte entfällt, da zukünftige Fahrzeugrechner unterschiedlichste Fahrzeugfunktionen auf einem Rechner darstellen können. Speicheroptimierte Software-Designs und Implementierungen werden durch Software-Architekturen abgelöst, die insbesondere die Unabhängigkeit von der Hardware und somit Portabilität im Fokus haben. Hieraus folgt, dass sich die Anwendungssoftware von der darunterliegenden Hardware löst und somit auf Rechnern einer anderen Anwendungsdomäne ablaufen kann. Dies hat unmittelbare Auswirkungen auf die bisher etablierten Geschäftsmodelle und Entwicklungsorganisationen. (Bild 2). Bereiche, die bisher isoliert voneinander komponentenbasierte Lösungen mit integrierter Software entwickelt und vertrieben haben, müssen fortan domänenübergreifende Softwarelösungen entwickeln.

Die große Herausforderung ist dabei Conway’s Law. Die bisher vorhandenen domänenspezifischen und hardwareorientierten Software-Architekturen müssen domänenübergreifenden Software-Architekturen weichen. Diesen stehen jedoch die bisherigen organisatorischen Strukturen entgegen. Als Folge bilden sich aktuell in der Automobilindustrie neue, stärker softwareorientierte Organisationsformen heraus. Software-Architekturen und damit auch Software-Architekten gewinnen massiv an Bedeutung und Einfluss auf die Produktentwicklungen.

Neben der Verfügbarkeit hoher Speichergrößen ermöglicht der Anstieg der Rechnerleistung von ~4 kDMIPS (heutige Motorsteuergeräte) auf ~17 kDMIPS (SOP 2020) bzw. ~300 kDMIPS (SOP 2023) eine Vielzahl neuer Anwendungen, die auf bisherigen Systemen nicht realisierbar sind. Die für Mikrocontroller häufig notwendige Einschränkung auf Ganzzahlarithmetik entfällt und es finden zunehmend datenorientierte Algorithmen Einzug ins Fahrzeug bis hin zu Artificial Intelligence (AI) Lösungen auf Graphical Processor Units (GPU).

Es werden dabei Funktionen realisiert, die sich von Teilfunktionalitäten unterschiedlicher Domänen (inklusive Connectivity und Cloud-Diensten) bedienen und lassen sich somit nicht mehr den klassischen Automotive-Domänen zuordnen (Bild 3).

Beispiel Reibwertkarte

Ein Beispiel hierfür stellt die sogenannte Reibwertkarte dar, die dem Autofahrer über eine Internetverbindung in seiner Anzeige Informationen über gefährliche Straßensituationen (wie Glatteis, Aquaplaning etc.) nahezu in Realzeit zur Verfügung stellt. Das Datenmaterial für diese Reibwertkarte liefern vorausfahrende Fahrzeuge, die mittels der ESP-Funktionalität (Anwendungsdomäne Chassis) Informationen über den aktuellen Reibwert der Straße erfassen. Diese Information wird über ein Gateway (Body Computer Domäne) an den Dienstanbieter in der Cloud geschickt (bisher nicht durch entsprechende Domänen abgedeckt). Die von unterschiedlichen Fahrzeugen bereitgestellten Daten werden vom Dienstanbieter konsolidiert und umgehend an die Fahrzeuge verteilt, die den Reibwertkartendienst abonniert haben.

Die Information über die unmittelbar vor ihm liegende Gefahrensituation wird dem Fahrer als Warnmeldung und in der Navigationskarte dargestellt (Infotainment-Domäne). Zusätzlich kann der Stauassistent aufgrund der Information bereits die Geschwindigkeit des Fahrzeuges verringern (Powertrain-Domäne). Beim Einsatz im Hochautomatisierten Fahren wird die Information das System und damit das Fahrverhalten ohne Einwirkung des Fahrers direkt beeinflussen.

Anhand dieses einfachen Beispiels wird deutlich, dass die funktionale Architektur und damit auch die Software-Architekturen unterschiedliche Rechnerknoten innerhalb der E/E-Architektur abdecken muss. Dabei sind die E/E-Architekturen von OEM zu OEM unterschiedlich. Beim Software-Design muss dies berücksichtigt und eine starke Abstraktion von der Hardware sichergestellt werden.

Einflüsse der Konnektivität

Im obigen Beispiel wurde ein zusätzlicher Aspekt bereits angesprochen. Durch die Konnektivität mit der Cloud entstehen Datenströme ins Fahrzeug und aus ihm heraus, die im klassischen Mikrocontroller-Umfeld nicht zu bearbeiten waren. Die Bandbreiten der bisherigen Kommunikationsnetzwerke im Fahrzeug (CAN, LIN, FlexRay) sind für den entstehenden Kommunikationsbedarf nicht mehr ausreichend. Aus diesem Grund wird das Ethernet (aktuell 1 GBit/s) in Fahrzeugen eingeführt. Die Erweiterung auf 10 GBit/s Ethernet ist ebenfalls in Planung.

Diese Bandbreitenerhöhung ermöglicht eine enorme Vielfalt neuer Funktionalitäten im und um das Fahrzeug herum. Aber auch hier gilt, dass sich die Software-Architekturen hierfür grundlegend ändern werden. Die bisherige Kommunikation über die zuvor genannten statischen und damit deterministischen Kommunikationsprotokolle sind vorteilhaft bei Betrachtungen zur Funktionalen Sicherheit gemäß ISO26262. Mit der Einführung des Ethernets im Fahrzeug werden Service-orientierte Kommunikationslösungen realisiert werden.

Funktionen, die bisher eng an die jeweiligen Kommunikationsschnittstellen angebunden waren, werden zukünftig Daten über im Fahrzeug vorhandene Dienste empfangen, bzw. Informationen über bereitgestellte Dienste zur Verfügung stellen. Die verfügbaren Dienste können sich zur Laufzeit ändern bzw. mit unterschiedlichen Qualitäten ausgestattet sein. Damit ergeben sich völlig neue Ansätze für Fallback-Lösungen.

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