gesponsert Ein ganzheitlicher digitaler Zwilling beschleunigt die Entwicklung von SDVs

Softwaredefinierte Fahrzeuge stellen klassische Entwicklungsprozesse durch ihre zunehmende Komplexität vor neue Herausforderungen. Ein ganzheitlicher digitaler Zwilling kann durch Virtualisierung auf Systemebene Entwicklung, Integration und Validierung früher zusammenführen und damit die Markteinführung erheblich beschleunigen.

In der Automobilindustrie herrscht weitgehend Einigkeit darüber, dass sich zukünftige Methoden der Fahrzeugentwicklung verändern müssen, um den Anforderungen des „Software-Defined Vehicle (SDV)“ gerecht zu werden. Der Wechsel von „Hardware-definiert“ zu „Software-definiert“ erfordert eine erhebliche Neustrukturierung von Prozessen, die teilweise schon seit Jahrzehnten bestehen. Entwicklungsvorlaufzeiten müssen kürzer und Innovationen schneller sein. Dies steht jedoch der zunehmenden Software- und Systemkomplexität entgegen. Aus diesem Grund untersuchen OEMs, Tier-1-, Tier-2- und IP-Anbieter alle das Potenzial der Virtualisierung oder des „digitalen Zwillings“, um die SDV-Herausforderung anzugehen.

Komplexität verlangsamt die Einführung des SDV

Die heutigen SDV-Plattformen sind von der Komplexität auf Software- und Systemebene geprägt. Dies führt oft zu Verzögerungen bei der Softwareplanung, bedrohlichen Mehrwertfunktionen und sogar zur Absage von Fahrzeugplattformprogrammen. Eine mögliche Lösung ist das sogenannte „Shifting-Left“, bei dem die Softwareentwicklung und -integration mithilfe virtueller Modelle vor der Silizium-Verfügbarkeit durchgeführt wird. Es bestehen jedoch noch immense Herausforderungen bei der Realisierung eines zweckmäßigen Entwicklungsablaufs.

Der Zeit- und Ressourcenaufwand für die Entwicklung und Weiterentwicklung einer vollständigen Modellierungsplattform für die Fahrzeugelektronik stellt ein erhebliches Hindernis für die Einführung dieser neuen Methoden dar. Es gibt viele verschiedene Arten von Modellen in verschiedenen Entwicklungsumgebungen, die unterschiedliche Genauigkeitsgrade aufweisen und unterschiedliche Timing-Domänen erfordern. Die Synchronisierung dieser Domänen stellt ein echtes Problem dar, wenn versucht wird, eine integrierte und sinnvolle virtuelle Simulationsplattform zu erstellen. Hinzu kommt, dass viele aktuelle Modellierungstechniken für SW-Entwickler zu langsam sind, um sie für Codierung und Debugging zu verwenden. Der Versuch, das, was in der virtuellen Welt entwickelt wird, mit dem, was schließlich auf der physischen Fahrzeugplattform landen wird, in Einklang zu bringen, ist für Entwickler also eine Herausforderung.

Was ist ein „Integrationssturm“?

Komplexität ist nicht das einzige Problem, mit dem Automobilhersteller konfrontiert sind. Der Integrationsaufwand, der erforderlich ist, um ein wertvolles Asset aus den verfügbaren, disparaten Elementen zu schaffen, ist für einige OEMs und Tier1s eine unüberwindbare Aufgabe. Die heutige Hard- und Softwareentwicklung findet größtenteils in Silos statt, in denen unterschiedliche Teams parallel arbeiten, oft ohne echten Einblick in den Fortschritt ihrer Kollegen. Kein Wunder also, dass die Systemintegrationsphase in der Elektronikentwicklung der risikoreichste Teil eines jeden Projekts ist. Viele Probleme treten auf, wenn die endgültige Hardware zum finalen System zusammengestellt wird, und sie sind oft auf unvorhergesehene Systemabhängigkeiten zurückzuführen. Dies kann als „Integrationssturm“ bezeichnet werden, der in den späteren Entwicklungsphasen katastrophale Verzögerungen verursachen kann. Die Wahrscheinlichkeit solcher Probleme steigt erheblich, wenn es keinen gemeinsamen, kontinuierlichen Ansatz für Design, Test und Validierung gibt.

Virtualisierung ist auf Systemebene notwendig, bringt aber eigene Herausforderungen mit sich

Es versteht sich von selbst, dass es eine gute Idee ist, den digitalen Zwilling zu nutzen, um vor der Verfügbarkeit der Hardware bessere Einblicke und Analysen zu erhalten. Diese Methode wird in einigen Bereichen der Automobilindustrie bereits seit vielen Jahren verwendet und die Akzeptanz steigt. Aber das fehlende gemeinsame Denken auf Systemebene bedeutet, dass die Ergebnisse derzeit begrenzt sind. Es ist einfach zu fragmentiert, um den „Integrationssturm“ zu bewältigen

Siemens ist als EDA-Anbieter, der in der gesamten Automobilelektronikbranche tätig ist, gut aufgestellt, um die Herausforderungen zu erkennen, die mit dem Versuch einer Virtualisierung auf Systemebene verbunden sind. Dies sind die wichtigsten beobachteten Probleme, die die gesamte Wertschöpfungskette von OEMs bis hin zu Tier-1-, Silikon- und IP-Anbietern betreffen:

• Generell fehlt es an Erfahrung in der Modellierung auf virtueller Systemebene
• Anbietern fehlt eine konsolidierte Validierungsumgebung, die einen vollständigen Überblick über das System bietet (und sie erkennen, dass der Zeit- und Kostenaufwand für die interne Entwicklung einer solchen Umgebung oft unzulässig ist)
• Software- und Hardware-Teams arbeiten isoliert voneinander
• Software-Workloads sollten die Hardwareauswahl vorantreiben, anstatt umgekehrt. Dies führt zu Hardware, die veraltet ist, bevor sie überhaupt auf den Markt kommt
• Modellierungs- und Simulationssysteme sind nicht für reale Stimuli ausgelegt und nicht in CI/CD/CC-Flows integriert

• Es gibt selten eine Test- und Validierungsstrategie auf Systemebene

Die Zusammenführung all dieser Probleme reduziert sich auf eine einfache Tatsache. Heutzutage dauert es einfach zu lange, einen sinnvollen digitalen Zwilling zu bauen. In vielen Fällen kann es Jahre dauern, ohne die Vorteile zu berücksichtigen, die darin bestehen sollten, die Entwicklung nach links zu verschieben und die Markteinführungszeit zu beschleunigen.

Wer muss Virtualisierung und Verifizierung auf Systemebene nutzen und warum profitiert er davon?

Eine zusätzliche Komplexität ergibt sich aus der Tatsache, dass es einen breiten Querschnitt von Ingenieuren gibt, die Software in der gesamten Automobillieferkette entwickeln. Sie stehen alle vor unterschiedlichen Herausforderungen und haben verschiedene Endziele. 

Überblick über einige der Hauptakteure und ihre Virtualisierungsziele:

Systemarchitekten: OEMs und Tier-1 Architekten müssen die hochrangige Struktur der komplexen elektronischen und elektrischen (E/E) Systeme eines Fahrzeugs bestimmen und definieren, wie Hardware- und Softwarekomponenten interagieren, um die funktionalen Anforderungen zu erfüllen. Ein SoC-Architekt muss möglicherweise heterogene Multi-Core-Architekturen, Prozessoren, Grafiken, KI-Engines sowie verschiedene Peripheriegeräte auf einem einzigen Chip integrieren. Beide Gruppen müssen strenge Sicherheitsstandards einhalten.

Sie benötigen eine einzige ganzheitliche Umgebung, in der sie Software-Workloads über ein gesamtes System hinweg ausführen können. Sie muss anpassbar und schnell sein, damit mehrere Konfigurationen ausgewertet werden können, die den gesamten SDV-Entwicklungsablauf abdecken.

Software-Anwendungsentwickler: Diese Kategorie kann weiter unterteilt werden. Entwickler von Benutzeranwendungen verwenden generische Betriebssystemumgebungen, um Software zu schreiben, die dann auf das hardware-relevante BSP „portiert“ wird. Virtuelle Modelle könnten dafür verwendet werden, sind aber oft zu langsam. Anwendungsentwickler von Low-Level-Firmware verlassen sich hingegen nicht auf schnelle Modelle, sie benötigen Genauigkeit und Präzision, um die heutigen virtuellen Modelle relevant nutzen zu können.

Entwickler im Benutzerbereich möchten früher entwickeln, daher benötigen sie die Verfügbarkeit von Pre-Silicon. Sie brauchen schnellere Modelle und wollen, dass die Modellbasis so nahe wie möglich am endgültigen BSP liegt, um den Portierungsaufwand zu reduzieren. Ihre Ergebnisse könnten viel effektiver sein, wenn sie auf Code von Kollegen in anderen Designteams zugreifen könnten, um gegenseitige Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Wenn schnelle und genaue Modelle verfügbar wären, könnten sie sowohl von Entwicklern im Benutzerbereich als auch von BSP-Entwicklern verwendet werden.

Software-Validierungs- und Testingenieure, einschließlich CI/CD-Integration: Dieses Team stellt sicher, dass das Fahrzeug seine Leistungs- und Qualitätsziele sowie alle relevanten Automobilstandards erfüllt. Es entwirft und führt Tests durch und nutzt Simulations- und Testwerkzeuge, um das Systemverhalten vorherzusagen. Im SDV wird dies zu einem vollständigen Fahrzeuglebenszyklusprozess, da Reparaturen und Upgrades über Over-The-Air (OTA)-Updates eingeführt werden.

Das Team möchte mit der Validierung der Software auf Systemebene und der Vor-Hardware beginnen und in der Lage sein, festzustellen, wo Fehler auftreten, und die Probleme an die Systemarchitekten zurückzumelden, damit das Design wiederholt werden kann

HiL-Ingenieure (Migration zu vHiL) setzen sich dafür ein, die Anzahl der erforderlichen Tests in der Hardware zu reduzieren, da diese kostenintensiv sind. Sie wollen so viel wie möglich auf Systemebene virtualisieren, um die überwiegende Mehrheit der Ausfälle vor dem Testen in der Hardware zu beseitigen.

Sie müssen eine vollständige Systemplattform aufbauen, um Fehler frühzeitig zu finden und Fehler, die sich aus Abhängigkeiten ergeben, erkennen zu können. Sie benötigen auch mehr Einblicke in das, was passiert, wenn das System ausfällt.

Auf dem Weg zu einem ganzheitlichen digitalen Zwilling

Mehrere dieser Virtualisierungsziele könnten als Cross-Persona betrachtet werden. Was sie alle brauchen, ist die Fähigkeit, Virtualisierung auf Systemebene durchzuführen. Sie sind auf eine Umgebung angewiesen, die es ihnen ermöglicht, Ergebnisse zu teilen und das Lernen der anderen Akteure zu nutzen.

Was benötigt wird, ist ein klarer Weg zu einem integrierten, anpassbaren, cloudbasierten, ganzheitlichen digitalen Zwilling, der die Bedürfnisse mehrerer Personas erfüllen kann. Nur so ist die für SDV notwendige siloübergreifende Technik wirklich möglich.

Startschuss für die SDV-Entwicklung mithilfe eines vorintegrierten digitalen Zwillings

Wie bereits erwähnt, verhindern die Kosten und Integrationsbemühungen für den Aufbau vollständiger Systemsimulationsmodelle, ganz zu schweigen von der Tatsache, dass dies Jahre dauern kann, den weit verbreiteten Einsatz von digitalen Zwillingen auf Systemebene durch OEMs und Tier-1-Unternehmen.

Aus diesem Grund verfolgt Siemens EDA einen neuen Ansatz und bietet einen vorintegrierten digitalen Zwilling auf Systemebene für den ADAS- und Fahrzeug-Infotainment-Markt an. Selbstverständlich gibt es keine One-Stop-Shop-Lösung für komplexe Automobilsysteme. Eine gemeinsame Plattform, die im gesamten Unternehmen verwendet werden kann, um die Entwicklung anzukurbeln, kann jedoch die Einführung der Virtualisierung erheblich beschleunigen. Mit einem solchen digitalen Zwilling ist die Einrichtung innerhalb von Tagen statt in Monaten oder Jahren möglich. Die Softwareentwicklung mit der neuesten Automobil-IP wie dem Zena-CSS von Arm kann sofort beginnen. Die Plattform ist in der Lage, Szenarien zu erstellen und sich mit realer Hardware zu verbinden. Dadurch ist es möglich, das Design mit realer Hardware zu iterieren. Wenn eine genauere Simulation des Endbenutzersystems erforderlich ist, kann es an das endgültige Design angepasst werden.

Durch das Angebot einer gemeinsamen Plattform, die von mehreren Personas für die cloudbasierte Entwicklung genutzt werden kann, ist es nun möglich, den digitalen Zwilling auf Systemebene einzuführen und eine Schlüsselrolle bei der Beschleunigung der SDV-Entwicklung auf skalierbare Weise zu spielen. 

Erfahren Sie mehr darüber, wie Sie mit der Digital-Twin-Lösung von Siemens EDA den „Shift Left“-Ansatz umsetzen können: “PAVE360 puts a virtual car on every engineer's desk”.