Software-definierte Fahrzeuge Flexibles Design für Automotive-Compute-Plattformen

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Im Gegensatz zu älteren Fahrzeugen, die früher beim Verlassen des Werks mit einem festen Satz von Funktionen ausgestattet waren, können Software-definierte Fahrzeuge kontinuierlich aktualisiert werden. Hersteller haben die Option, den Funktionsumfang ihrer Fahrzeuge durch Over-the-Air-Updates jederzeit zu erweitern und zu verbessern.

Für die Aktualisierung vernetzter Fahrzeugflotten ist eine leistungsstarke High-Performance-Computing-Plattform (HPC) erforderlich. Sie muss die Vorteile der Software-Zentralisierung und der Serverisierung von Rechenleistung bieten und zugleich flexibel genug sein, um Workloads zu teilen, Ressourcen neu zuzuweisen und Funktionen zu erweitern.

Performance von Komponenten intelligent zuordnen

Beim Entwerfen von High-Performance-Computing-Plattformen zur Unterstützung Software-definierter Fahrzeuge (Software-defined Vehicles, SDVs) besteht der erste Schritt darin, die Domänenfunktion zu konsolidieren und Software von Hardware zu abstrahieren. Es bringt jedoch deutliche Vorteile, noch einen Schritt weiterzugehen und das System-on-a-Chip (SoC) auf einem System-in-a-Package (SiP) zu isolieren.

Ein SiP bündelt das SoC mit einer Reihe anderer Schlüsselkomponenten, wie zusätzlichen integrierten Speicher- und Power-Management-Schaltkreisen. Alle diese Baugruppen befinden sich in einem Gehäuse in Standardgröße, das sich direkt auf das Mainboard eines HPC-Geräts integrieren lässt.

Das Mainboard verfügt über alle erforderlichen Schnittstellen für die Daten, die in die HPC-Plattform hinein- und herausgehen. Zum Beispiel würde ein Mainboard für eine HPC-Anwendung wie die offene Serverplattform (OSP) von Aptiv für die Benutzererfahrung Deserialisierer für Videostreams enthalten, die von Innensensorkameras stammen, sowie Ausgänge für hochauflösende Displays, Audioschnittstellen, einen Ethernet-Switch und alle weiteren Kommunikationsschnittstellen wie Bluetooth, Wi-Fi, GNSS und USB. Ein solches Mainboard besitzt darüber hinaus einen „Housekeeping“-Microcontroller, um die Kommunikation innerhalb des Fahrzeugs zu steuern, die Startsequenz der Peripherie zu überwachen und den Ruhezustand und das Aufwachen des SoC zu verwalten.

Durch den Einsatz eines SiP lässt sich die Entwicklung des Mainboards mit all seinen Anschlüssen und Peripheriegeräten von der Entwicklung des SoC und seiner übergeordneten Software entkoppeln, wie im Bild zu sehen.

SiP-Ansatz bringt Vorteile in der Automobilindustrie

Bereits seit Langem profitiert die Computerindustrie vom System-in-a-Package-Modell. Der Ansatz lässt sich aber genauso gut auf die Automobilindustrie übertragen und bringt dabei entscheidende Vorteile. Das SiP ermöglicht es Automobilherstellern, ein SoC einfach durch ein anderes zu ersetzen. Durch diese Fähigkeit lassen sich resiliente Lieferketten schaffen. Mit kleinen Änderungen an der Basis-Software können zwei SiPs mit dem gleichen Footprint – jedes mit einem anderen SoC – auf demselben Mainboard ausgetauscht werden. In der Vergangenheit konnte der Wechsel von einem SoC zu einem anderen bis zu 26 Wochen dauern. Mit einem SiP lässt sich die Migration auf zirka sechs bis acht Wochen verkürzen.

Die Entkopplung der Fertigung von Mainboard und SiP ermöglicht außerdem eine separate Entwicklung beider Komponenten. Denn weil ein SoC mehr Schichten auf dem Mainboard benötigt, lassen sich Kosten einsparen, wenn es sich auf dem kleineren SiP befindet.

Skalierbarkeit mit einem austauschbaren SiP fördern

Ein Automobilhersteller kann beispielsweise das gleiche Mainboard in verschiedenen Fahrzeugmodellen verwenden, vom Einstiegs- bis zum Premiummodell, und lediglich ein anderes SiP einsetzen, um andere Funktionen zu unterstützen. Alternativ können Entwickler dasselbe SiP in verschiedene Mainboard-Formfaktoren für verschiedene Fahrzeugmodelle einbauen. Je nachdem, wo die HPC-Einheit im Fahrzeug Platz findet, muss es an die entsprechende Form angepasst werden. Entwickler können sich daher darauf konzentrieren, das Mainboard so zu entwickeln, dass es diese Größen- und Formanforderungen erfüllt, danach lässt sich das voll entwickelte SiP einfach hinzufügen.

Darüber hinaus lässt sich der SiP-Ansatz auf die gesamte Datenverarbeitung im Fahrzeug anwenden. Davon profitiert nicht nur die offene Server-Plattform. Das SiP-Design ist in der Lage, die gleichen Vorteile auch in der zentralen Fahrzeugsteuerung für untergeordnete Funktionen oder in einem Zonenregler zu erzielen. Einige Fahrzeugarchitekturen können Hybride dieser Geräte verwenden – wie etwa eine Kombination aus zentralem Fahrzeugsteuergerät und Zonenregler. Auch in einem solchen Anwendungsfall eignet sich ein SiP-Ansatz. In all diesen Fällen sparen Autobauer Zeit und Kosten, weil sie die Systems-in-a-Package unabhängig von den Komponenten validieren können, in denen sie sich befinden.

Auf die Middleware kommt es an

Zweifellos ist die Abstraktion der Software von der Hardware ein wichtiger Bestandteil im Software-definierten Fahrzeug. Das Hardware-Design muss diesen Ansatz unterstützen. Durch den Einsatz von Tools wie Middleware, einem Hypervisor wie Wind River Helix sowie eines Echtzeitbetriebssystems wie VxWorks können Entwickler ein SiP gegen ein anderes austauschen und die gleiche Software-Funktionen beibehalten. Dabei wird das SiP – und nicht das gesamte Board – zur Plattform. Dadurch lässt sich die Software-Wartung erheblich vereinfachen. Wenn auf der Plattform ein Fehler auftritt, kann er auf dem SiP behoben werden – unabhängig vom eingesetzten Mainboard.

Kurz gesagt: Eine SiP-basierte Architektur bietet die Hardware-Flexibilität, die Automobilhersteller benötigen, um Software-definierte Fahrzeuge zu entwickeln und zukünftige Software-Upgrades sowie wegweisende Innovationen zu integrieren.  (se)

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* Benjamin Gould ist Director of Product Management Compute bei Aptiv

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