Autos als rollende Supercomputer

Moderne Autos sind mit Elektronik vollgepackt. Das Management der vielen Rechner und Assistenzsysteme ist komplex, zudem erhöhen die Kabelbäume das Gewicht der Fahrzeuge. In einem Verbundprojekt arbeiten Fraunhofer-Forschende an einer Systemarchitektur, bei der eine Rechnerplattform im Idealfall alle elektronischen Komponenten zentral verwaltet. Das soll den Bau hochautomatisierter und vernetzter Fahrzeuge erleichtern. Kern der Fraunhofer-Technologie ist ein Ethernet-Backbone, das echtzeitfähig und extrem zuverlässig sein soll.

Durchgängige Architektur

Ein Auto, dessen Komponenten von einer zentralen Supercomputing-Plattform gesteuert werden, statt von Dutzenden kompliziert verschachtelten Rechnersystemen. Updates werden ohne Werkstattbesuch einfach via WLAN erledigt, und bei Bedarf lassen sich neue Funktionen integrieren: Das ist die Vision, an der das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS im Verbundprojekt CeCaS (Central Car Server-Supercomputing für Automotive) gemeinsam mit Projektpartnern aus der Automobilindustrie arbeitet.

Ziel ist es, die automobile Rechnerarchitektur grundlegend zu erneuern und für die hohen Anforderungen automatisierter und vernetzter Fahrzeuge fit zu machen. Im Idealfall wird das Automobil zum rollenden Supercomputer. Die Kommunikation der Komponenten untereinander kann in Echtzeit erfolgen. Die Bundesregierung unterstützt das Projekt im Rahmen ihrer Initiative »Elektronik und Softwareentwicklungsmethoden für die Digitalisierung der Automobilität (MANNHEIM)«.

Der Bedarf für eine neue Rechnerarchitektur in Automobilen ist laut Fraunhofer groß. Trends wie Automatisierung und Vernetzung ließen das Datenvolumen in den Autos explosionsartig ansteigen. Fahrzeughersteller würden deshalb nach Lösungen suchen, um die Fahrzeugtechnik zu vereinheitlichen, alle Komponenten über eine zentrale Instanz verwalten zu können, die Kommunikation der Systeme untereinander zu optimieren und die erforderliche Rechenleistung in Echtzeit zu realisieren.

Echtzeitfähiges Ethernet

Die Fraunhofer-Forschenden in Dresden setzen im Rahmen von CeCaS auf Time Sensitive Networking (TSN). Dafür entwickelt das Team seine bewährten Funktionsblöcke für Halbleiter, die sogenannten IP-Cores, weiter. Die Ethernet-basierte Netzwerktechnik soll echtzeitfähig werden und in allen Situationen robust und hochzuverlässig funktionieren.

»TSN erreicht die Kombination aus Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit durch Maßnahmen wie einheitliche Systemzeit für alle relevanten Steuergeräte, intelligent organisierte Warteschlangenverfahren und die Priorisierung von Tasks«, erklärt Frank Deicke, Leiter der Abteilung Data Communication & Computing am Fraunhofer IPMS. Entsprechend sind Befehle, die an das Bremssystem gehen, logischerweise höher priorisiert als Steuerbefehle für die Klimaanlage. Trotz des riesigen Datenvolumens, das ein Fahrzeug in jeder Sekunde generiert und das zum großen Teil in Echtzeit verarbeitet werden muss, seien CeCaS-Systeme robust und hochzuverlässig.

Ethernet könne im Projekt CeCaS noch weitere Vorzüge ausspielen. »Ethernet hat den grundlegenden Vorteil, dass es sehr flexibel und gleichzeitig hoch skalierbar ist. In Kombination mit unseren IP-Cores lässt sich die Technik leicht an unterschiedliche Fahrzeuggrößen, Leistungsklassen und Funktionen anpassen«, sagt Deicke.

Weniger Kabel, weniger Gewicht

Aus Architekturkonzepten ergäben sich weitere Vorteile, so Fraunhofer weiter. Für Updates müsse der Wagen idealerweise nicht mehr in die Werkstatt. Fast wie bei einem Notebook oder Desktop-PC werde das Fahrzeug via WLAN aktualisiert. »Bei Bedarf könnte man so auch neue Funktionalitäten integrieren«, sagt Frank Deicke. Die zentrale Verwaltung mache einen schmaleren Kabelbaum erforderlich, wodurch in der Herstellung Materialaufwand und Kosten sänken und das Fahrzeug insgesamt deutlich leichter werde.

Die Rechenarchitektur des Projekts CeCaS für das Automobil der Zukunft sei eine „radikale“ Abkehr von der gegenwärtigen Bauweise: von der domänenorientierten Steuerung der Komponenten hin zu einem zonenbasierten Management, bei dem einige wenige hochleistungsfähige Rechenplattformen viele Module gleichzeitig steuern. Das umfasse sicherheitskritische Systeme wie Motor, Getriebe und Bremsen ebenso wie Bordkameras, Einparkhilfen, Temperatur- und Abstandssensoren, Motoren für Fensterheber und Sitzverstellung oder Klimaanlage und Bord-Entertainment.

Aus Sicht der Forscher ist das von der Bundesregierung geförderte Projekt ein wesentlicher Baustein für die Automobilindustrie. Einerseits um Autos noch leistungsfähiger zu machen und andererseits um Kosten zu sparen. Zudem würde CeCas dazu beitragen, die technologische Souveränität und Unabhängigkeit der deutschen Autobauer zu bewahren und weiter auszubauen.