Der Konflikt um den Chiphersteller Nexperia und die daraus resultierenden Probleme für die KFZ-Industrie veranschaulichen die Bedeutung von Mikrocontrollern in modernen Fahrzeugen. Sie sind das Kernelement der in modernen Autos zahlreich eingesetzten Embedded Systemen. Elektronische Steuerungssysteme verändern sich und übernehmen immer mehr Funktionen, gerade in E-Autos. In Zukunft dürfte sich das noch ausweiten.
Ein typisches Auto enthält etwa 25 bis 35 Mikrocontroller, Luxusfahrzeuge mit circa 60 bis 70 Mikrocontrollern rund doppelt so viele. Sie sind heute zentraler Bestandteil jedes elektronischen Steuerungssystems im Fahrzeug, vom Antiblockiersystem ABS über die Airbags bis zur Licht- und Scheibenwischerautomatik. Kein modernes KFZ kommt mehr ohne aus.
Krise durch Chiphersteller
Der Streit um den Chiphersteller Nexperia verdeutlicht die Rolle von Mikrocontrollern, Kernbaustein aller KFZ-Steuereinheiten für die Automobilwirtschaft. Durch die Unterbrechung der Lieferung von Halbleitern drohte ein Produktionsstopp in der deutschen Automobilindustrie. Ursache war ein Disput zwischen den Niederlanden und China um den Chiphersteller Nexperia, in dessen Folge es zu gravierenden Lieferproblemen für die Automobilindustrie kam. Denn nach einer Intervention der niederländischen Regierung hatte Peking Exportbeschränkungen für bestimmte Nexperia-Chips verhängt. Etwa 70 Prozent der von diesem Unternehmen hergestellten Chips sind für die Automobilherstellung relevant. Erst nachdem sich die Europäische Kommission eingeschaltet hatte, um eine Einigung mit dem chinesischen Handelsministerium zu erzielen, wurde die deutsche Automobilindustrie wieder mit Nexperia-Bauteilen beliefert.
Die auch als „Electronic Control Unit“ (ECU) bezeichneten Steuereinheiten in Fahrzeugen bestehen in der Regel aus einer Kombination aus Hardware-Elementen – Mikrocontroller, Sensoren, Aktoren – und Software – in einer gekapselten Umgebung. Beispielsweise sammeln in einem solchen Embedded System Regen- oder Geschwindigkeitssensoren Daten, die dann von Mikrocontrollern verarbeitet werden. Auf der Grundlage dieser Daten sendet das System Befehle an Aktoren wie den Scheibenwischermotor oder die Bremsanlage, um eine bestimmte Aktion auszuführen. Verzögerungen in der Datenverarbeitung und bei der Umsetzung der Ergebnisse sind nicht tolerierbar, eine Bremse muss sofort ansprechen. Echtzeitverarbeitung ist daher Grundvoraussetzung. Sie zählt zu den typischen Eigenschaften eingebetteter Systeme, genauso wie die beschränkte Verfügbarkeit von Ressourcen wie etwa Speicher. Über ein internes Netzwerk wie den CAN-Bus kommunizieren die verschiedenen ECU miteinander. Diese Systeme haben häufig eine hohe Sicherheitsrelevanz, denn ein Ausfall kann zu gefährlichen Situationen oder sogar zu Unfällen führen.
Vernetzung und E-Autos verändern die Anforderungen
Fortschreitende Digitalisierung und zunehmende Automatisierung in der Fahrzeugtechnik verändern diese integrierten Systeme maßgeblich. Beispielsweise erfordert die Batteriesteuerung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen ganz neue Steuereinheiten. Die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen verändert zusätzlich deren Architektur. Anforderungen wie geringer Energieverbrauch werden bei diesen Fahrzeugen zu einem wichtigen Faktor. E-Mobilität stellt auch an Embedded Systems neue Anforderungen, sie müssen besonders stromsparend arbeiten. Die steigende Zahl von Mikrocontrollern führt dazu, dass Automobilhersteller versuchen Funktionen mehrerer Steuergeräte in einem zentralen Modul bündeln. Durch zentrale Steuergeräte, sogenannte Domain Controller, soll die Komplexität und Anzahl der ECU reduziert werden.
Die Entwicklungen rund um autonome Fahrzeuge stellen die Hersteller von Mikrocontrollern und Steuergeräten vor neue Herausforderungen. Mit zusätzlichen Aufgaben steigt die Anzahl integrierter Systeme. Autonome Fahrzeuge benötigen eine Vielzahl zusätzlicher Sensoren wie Kameras, Lidar, Radar oder Ultraschall zur Umfelderkennung. Die Steuersysteme müssen große Datenströme an Sensordaten in Echtzeit verarbeiten. Teilweise werden diese sogar zur Verarbeitung in eine Cloud gesendet. Das erfordert natürlich, dass im Fahrzeug eine permanente Internet-Verbindung besteht. Ist es erst mal derart vernetzt, kann die Verbindung für weitere Funktionen genutzt werden. Der Mobilfunkstandard 5G wird somit zu einer wichtigen Grundlage des Fahrzeugbetriebs. Gleichzeitig wird es anspruchsvoller, „Safety and Security“ in solchen hochkomplexen Embedded Architekturen zu gewährleisten. Ein sicherer Fahrzeugbetrieb hängt zunehmend von durchdachter Cybersecurity ab.
Das Problem Updates
Updates sind ein großes Thema im Lebenszyklus eines Automobils. Klassischerweise muss ein KFZ in die Werkstatt gebracht werden, um Updates durchzuführen. Das betrifft sowohl Infotainment-Systeme als auch sicherheitsrelevante Software, wie etwa zur Antriebssteuerung oder für das Akku-Management. Bei einer Online-Verbindung können Software-Updates ohne Werkstattbesuch direkt über das Internet ins Fahrzeug übertragen werden. Bei solchen sogenannten Over-the-Air-Updates (OTA) kommen neue Gefahren ins Spiel: Einzelne integrierte Systeme oder gar das ganze Fahrzeug können nun über die Online-Verbindung permanent angegriffen werden. Die begrenzten Ressourcen der Embedded Systeme limitieren die Möglichkeiten der Absicherung; Cybersecurity-Software muss mit wenig Speicher und Rechenleistung auskommen. Damit OTA-Updates sicher und zuverlässig durchgeführt werden können, sind eigene Sicherheitsstandards notwendig. Neben verschlüsselten Datentransfers werden dazu unter anderem Trusted Execution Environments (TEEs) eingesetzt, die eine Ausführung der Software in einer gesicherten Umgebung ermöglichen.
Dies alles läuft sozusagen hinter dem Rücken des Fahrers oder der Fahrerin ab. Das heißt, diese Prozesse bleiben nicht nur unbemerkt, sondern Fahrer und Fahrerin haben darauf auch keinen Einfluss, sie müssen Hersteller und Werkstatt vertrauen. Störungen und Ausfälle können im KFZ-Segment aber verheerende Folgen haben. Cybersecurity kann also nicht auf Käufer oder Käuferinnen abgewälzt werden, sondern wird zu einem zentralen Thema der KFZ-Hersteller sowie auch der Produzenten von eingebetteten Systemen. Cybersecurity wird zu einem integralen Bestandteil moderner Embedded Systeme.
In Zukunft ist eine Integration von High-Performance-Computing-Plattformen wie zum Beispiel Nvidias Orin oder Qualcomms Snapdragon Automotive in Steuergeräte geplant. Damit sollen auch leistungsstärkere, integrierte Architekturen möglich werden, die besser mit künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML) umgehen können. Damit können KI und ML Einzug in die Embedded-Welt halten. Seit letztem Jahr steht schon die Computing-Plattform Thor in den Startlöchern, die als Orin-Nachfolger eine Leistung von 1.000 Teraflops bringen soll und damit sowohl Cockpit-Funktionen als auch sicheres, hochautomatisiertes und autonomes Fahren auf einer zentralen Plattform bündeln kann. Vielfach handelt es sich bei diesen Plattformen um Weiterentwicklungen klassischer Embedded Systeme.
Quellenangabe
Im obenstehenden Artikel wurde auf mehrere Quellen zurückgegriffen: Auf den Artikel „Nexperia stellt Lieferung von Vorprodukten nach China ein“ des Wirtschaftsmagazin „Der Spiegel“ sowie auf den Tagesschaubericht „Im Nexperia-Streit deutet sich Entspannung an“. Einen Überblick über „In-Vehicle Computing für autonome Fahrzeuge“ bietet die Unternehmenswebsite der Firma Nvidia und Einblicke zu „Qualcomm Automotive Technologies“ (in Englisch) bietet die Unternehmenswebsite der Firma Qualcomm. Einen grundlegenden Überblick zu „Embedded Systems“ verschafft die Website „Mobility Rockstars“ der Firma Cognizant Mobility.
Autor: Uwe Sievers
