Skalierbarkeitsgrenzen im Automotive-Bereich: Übergang zu einer zonalen Architektur

Die Automobilindustrie vollzieht gerade einen Paradigmenwechsel, bei dem nicht mehr das Fahrzeug, sondern der Fahrer im Mittelpunkt steht. Längst sind die Zeiten rein mechanischer Maschinen – die Güter oder Personen von Punkt A nach Punkt B transportieren – vorbei. Denn die Art und Weise, wie wir unsere Fahrzeuge nutzen und bewegen hat sich grundlegend verändert. Ein wichtiger Wendepunkt in dieser neuen Ära der Mobilität ist der Übergang von traditionellen Fahrzeugen zu serviceorientierten und softwaredefinierten Computern auf Rädern. Diese müssen in der Lage sein, Fahrzeugdaten kontinuierlich und sicher zu verändern – unmittelbar, On-Demand und Over-the-Air (OTA).

Auch die tradierte Art und Weise, wie die Automobilindustrie in den vergangenen Jahrzehnten gearbeitet hat, verändert sich zunehmend. Der bisher gängige, altbewährte Ansatz die elektronische/elektrische (E/E) Architektur eines Fahrzeugs zu gestalten, ist nicht mehr praktikabel und hat seine Skalierbarkeitsgrenze erreicht. Doch um skalieren zu können, muss ein technologischer Wandel Überbau eines umfassenden Paradigmenwechsels sein – ein Prozess, der wiederum weitere Herausforderungen mit sich bringt.

Sind heutige Electronic Control Units (ECUs) skalierbar?

Elektronische Komponenten wurde erstmals in den 70er Jahren in Fahrzeugen verbaut. Im Laufe der Jahre nahm deren Verbreitung stetig zu, so dass bereits in den 90ern fast alle Fahrzeuge computergesteuerte Systeme an Bord hatten. Heute sind Autofahrer – ähnlich wie Flugzeugpiloten – nicht mehr nur mechanisch mit ihren Fahrzeugen verbunden. Stattdessen erhält das Auto nun verschiedene Inputs für seine elektronischen Systeme, die wiederum die mechanischen Komponenten des Fahrzeugs steuern.

Bei einem modernen Auto, das aus bis zu 30.000 Teilen besteht – darunter 150 Computer oder Steuergeräte – ist jetzt ein Punkt erreicht, an dem das elektronische Netzwerk des Autos nicht mehr handhabbar ist. Zumal die Fahrer immer mehr Funktionalitäten und Personalisierungsmöglichkeiten von ihren Fahrzeugen erwarten. Jede zusätzliche Funktion oder Fähigkeit erfordert jedoch die Inbetriebnahme eines neuen Steuergeräts. Und jedes neue Steuergerät generiert zusätzlichen Entwicklungs-, Konfigurations- und Wartungsaufwand, da es mit den vielen anderen Steuergeräten kompatibel sein muss. Die Antwort auf diese Herausforderung ist der Übergang zu einer zonalen Architektur mit einem Ethernet-Backbone, Hardware-Konsolidierung, layoutoptimierter Verkabelung und einer softwaregesteuerten serviceorientierten Architektur.

Was die Automobilbranche von der Avionik lernen kann

Noch vor 10-20 Jahren stand die Luftfahrtindustrie mit ihrer Version der Luftfahrtelektronik (Avionik) vor ähnlichen Herausforderungen. Um ausufernde Komplexität, steigende Kosten und unzuverlässige Lieferketten zu bewältigen, führten die Luftfahrthersteller mehrere innovative Ideen ein, darunter

• Die Verwendung modularer Hochleistungs-Mehrrollen-Computer, um die Menge an Hardware zu reduzieren.
• Die Entwicklung eines Hochgeschwindigkeits-Backbone, um den Bedarf an Verkabelung zu senken.
• Eine Verlagerung Hardware-basierter Funktionalitäten auf die Software und Verwendung modularer SaaS-Modelle.

Das für die Automobilindustrie entwickelte Konzept der zonalen Architektur führt zwei neue Geräteklassen ein – den Fahrzeugserver und das zonale Gateway – die die Anzahl der physischen Steuergeräte reduzieren und die Verwendung von Ethernet und einer Vielzahl von flexiblen oder hybriden Topologien ermöglichen.

Eine der Hauptstärken dieses Konzepts der zonalen E/E-Architektur besteht darin, dass die Funktionalität vollständig von der physikalischen Hardware entkoppelt ist. Die Rechenelemente sind nicht mehr an einen physikalischen Ort, eine Form oder andere Einschränkungen gebunden. Stattdessen werden Funktionalitäten als ein Ressourcenpool betrachtet, den es zu verteilen und mit Aufgaben zu versorgen gilt. Die Fahrzeugfunktionalität muss sich nicht einmal mehr im Fahrzeug befinden. So kann ein Remote-Cloud-Server verwendet werden, um Aktionen durchzuführen oder Daten zu verarbeiten – ähnlich der Funktionsweise heutiger Smartphone-Ökosysteme, wodurch der Bedarf an Rechenressourcen an Bord reduziert wird.

Grundlagen der zonalen E/E-Architektur

Das Konzept der zonalen Architektur ist im Kern eine Optimierung der Berechnungsressourcen und der Verkabelung der Domänencontroller-Architektur. Unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften des Fahrzeugs führt eine zonale Architektur zwei neue Geräteklassen ein: Fahrzeugserver und zonales Gateway. Edge Devices, wie Sensoren und Aktuatoren, sowie Legacy-Steuergeräte bleiben die gleichen wie in anderen Architekturen.

Der Zweck des Fahrzeugservers besteht darin, die Anzahl der physischen Steuergeräte im Fahrzeug durch Konsolidierung der Hardware-Komponenten zu reduzieren. Weniger Silizium, weniger Verkabelung und weniger Gehäuse führen zu geringerem Gewicht und einer allgemeinen Kostensenkung. Der Fahrzeugserver muss kein einzelnes physisches Gerät sein. Er kann als modularer Server implementiert werden, indem mehrere Hochleistungs-Steuergeräte miteinander verbunden, System on Chip (SoCs) auf derselben Leiterplatte (PCB) geclustert oder eine Backplane mit Steckkarten verwendet werden. Logisch sind sie alle identisch.

Das zonale Gateway dient dazu, als lokaler Konnektivitäts-Knotenpunkt zu fungieren, der mehrere (meist ältere) Schnittstellen mit niedriger Geschwindigkeit zusammenführt und Daten über eine einzige Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Verbindung an den Backbone weiterleitet. Das zonale Gateway kann auch Edge-Verarbeitung durchführen und Daten zur Verarbeitung durch einen Fahrzeugserver auslagern oder vorbereiten, um Arbeitslast und Bandbreite zu reduzieren.

Zonale Netzwerke und die Automobilindustrie

Das Entstehen zonaler Netzwerke kann als Teil der Antwort auf den Paradigmenwechsel im Automobilbereich und die Art und Weise, wie die Branche jahrzehntelang ihre Geschäfte geführt hat, verstanden werden.

Software kann noch lange nachdem das Fahrzeug an den Kunden ausgeliefert wurde, modifiziert werden. Diese Agilität bietet ein beträchtliches Maß an Geschäftspotenzial für Erstausrüster auf dem Kfz-Ersatzteilmarkt, die dadurch auch nach dem Verkauf von Fahrzeugen wiederkehrende Einnahmen erzielen können. Die Möglichkeit der Aufrüstung einzelner Software-Komponenten eines Fahrzeugs ist für Verbraucher sehr attraktiv, da dieser Prozess gegenüber einem Austausch des gesamten Fahrzeugs wesentlich kostengünstiger und mit weniger Aufwand verbunden ist.

Die Möglichkeit, Fahrzeugfunktionen durch ein Premium-Software-Upgrade hinzuzufügen oder zu optimieren, könnte als Dienstleistung verkauft werden – ähnlich wie bei heutigen Handytarifen. Dieses abonnementbasierte Modell macht die Fahrer von Fahrzeugen zu Abonnenten von Serviceleistungen. Auf diese Weise werden neue Einnahmequellen geschaffen, die während des gesamten Fahrzeuglebenszyklus erhalten bleiben können – Tesla ist bezüglich solcher Innovationen im Automobilbereich ein gewisser Vorreiter.

Mit dem über ein Jahrhundert alten Standard-Entwurf für Automobile im Gepäck, befindet sich die Automotive-Branche derzeit mitten im Übergang zu neuen Antriebssystemen, die sich auf ZE-Fahrzeuge (Zero Emission) wie batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs) und Wasserstofffahrzeuge (FCEVs) konzentrieren. Das Auto wandelt sich von einem Fahrzeug, das man besitzt und instand hält, zu einer Mobilitätsdienstleistung, die individuell anpassbar ist und sogar zur Unterhaltung genutzt werden kann. In der Konsequenz besitzt der Kunde zukünftig überhaupt kein physisches Fahrzeug mehr, sondern kann ein monatliches Abonnement für die Nutzung eines Autos erwerben. Mit anderen Worten wird der Besitzer von heute zum Nutzer von Mobilitätsdiensten.

Veränderung muss JETZT stattfinden

Ein Blick in die Vergangenheit kann oft einen Blick in die Zukunft ermöglichen. Die Geschichte ist voll von kleinen, aufstrebenden Unternehmen, die die Giganten der jeweiligen Epoche verdrängten, indem sie ihre Geschäftsmodelle weiterentwickelten, auf diese Weise einen veränderten Markt beherrschten oder eine völlig neue Industrie schafften:

• Apple produzierte Heimcomputer
• Google war eine Suchmaschine
• Amazon begann als Online-Buchhandlung
• Netflix bot DVDs zum Verleih an
• Nvidia stellte Videospiel-Grafikkarten her

Anzuerkennen, dass gerade ein Paradigmenwechsels stattfindet und den damit verbundenen tiefgreifenden Wandel anzunehmen, stellt eine außergewöhnliche Chance für Unternehmen dar. Insbesondere für Firmen, die schnell und entschlossen handeln, um Marktanteile zu gewinnen, ihren Umsatz zu steigern und neue Angebote einzuführen. Darin liegt ein Potenzial, das wir uns wahrscheinlich noch gar nicht wirklich vorstellen können.

Der Grundstein ist gelegt, die Chancen sind da. Die Unternehmen, die sich diese zunutze machen, werden davon profitieren und wachsen.