Die Bauteileknappheit besonders im Automotive-Sektor könnte der Einführung neuer Technologien im Endeffekt mehr Schwung verleihen.

Die Bauteileknappheit besonders im Automotive-Sektor könnte der Einführung neuer Technologien und Architekturen im Endeffekt mehr Schwung verleihen. (Bild: AdobeStock 106006779, adimas)

So einfach wird sich der Wunsch nach Aufnahme der vollen Produktion im Automobilsektor nicht erfüllen lassen. Denn es hat den Anschein, als wäre die Automobilindustrie in besonderem Maße, wenn nicht sogar am schlimmsten von der Krise betroffen.

Die gesamte Branche hat zurzeit mit einem Mangel an Halbleiterchips zu kämpfen, der sie Jahr für Jahr Milliarden kostet. Überall auf der Welt mussten Automobilhersteller wegen des Chipmangels ihre Produktion drosseln, und die jüngste Studie der globalen Unternehmensberatungs-Firma AlixPartners prognostiziert, dass die Autobauer 2021 7,7 Millionen Autos weniger gebaut haben, was Kosten von 210 Milliarden US-Dollar entspricht. Gestützt werden die Zahlen unter anderem durch Angaben der Ford Motor Company. Demnach hat das Unternehmen 2021 etwa 1,1 Millionen Fahrzeuge weniger produziert als geplant, mit der Folge eines Einnahmeverlusts in Höhe von 2,5 Milliarden US-Dollar.

Über die Frage, wie und wann diese Chipknappheit enden wird, wurden bereits zahlreiche Artikel geschrieben. Man hegte die Hoffnung, im zweiten Halbjahr 2021 würde sich die Chipproduktion wieder erholen, sodass die Fahrzeughersteller ihre Fertigung wieder hochfahren könnten. Mehrere Faktoren, und zwar nicht nur die Ausbreitung der Delta-Variante von Covid-19 in Asien, sondern auch unvorhergesehene Ereignisse wie der Brand in einer japanischen Renesas-Fabrik, führten jedoch dazu, dass die erwartete Steigerung der Chipproduktion nicht eintrat. Nun verändert sich aber die Branche selbst mit hohem Tempo, weshalb es möglicherweise nicht ausreichen wird, einfach nur die gewohnte, normale Versorgungslage wiederherzustellen. Zum Beispiel wird der durchschnittliche Wert der in einem Auto verbauten Halbleiter laut Schätzungen von 2020 bis 2025 von 744 US-Dollar auf 1050 US-Dollar ansteigen. Auch diese Zahlen geben jedoch nicht die ganze Wahrheit wieder, denn die Art der verwendeten Halbleiter und die Architektur der elektronischen Systeme der Autos verändern sich gerade grundlegend – und die aktuelle Chipknappheit könnte diesen Wandel sogar noch beschleunigen.

Die augenfälligste Veränderung für die meisten Menschen wird die Elektrifizierung der Fahrzeuge sein. Viele Länder auf der Welt haben bereits einen Termin festgelegt, von dem an keine Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor mehr verkauft werden dürfen. Vorreiter ist hier Norwegen mit dem Jahr 2025, und bis 2030 kommen weitere Staaten – darunter Schweden, Dänemark und die Niederlande – hinzu. Die Konsumenten aber warten mit ihren Kaufentscheidungen nicht auf diese Termine, und tatsächlich waren 54 Prozent der 2020 in Norwegen verkauften Neufahrzeuge elektrisch angetrieben – fünf Jahre vor dem staatlich verordneten Termin. 2021 stieg dieser Anteil weiter an. Im September 2021 etwa besaßen ungefähr 80 Prozent der in Norwegen verkauften neuen Autos einen elektrischen Antrieb. Auch in anderen Ländern nimmt der Elektroauto-Absatz rapide zu: in Schweden besaßen 2020 nahezu 30 Prozent und in den Niederlanden immerhin 22 Prozent der verkauften Neufahrzeuge Elektroantrieb. Es ist davon auszugehen, dass die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen auch in anderen Staaten ähnlich wachsen wird. Schon für 2025 wird vermutlich in vielen Ländern der Absatz von Elektrofahrzeugen jenen von Autos mit Verbrennungsmotor übersteigen.

Bild 1: Viele Länder auf der Welt haben bereits einen Termin festgelegt, von dem an keine Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor mehr verkauft werden dürfen. Norwegen ist mit 2025 hier Vorreiter.
Bild 1: Viele Länder auf der Welt haben bereits einen Termin festgelegt, von dem an keine Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor mehr verkauft werden dürfen. Norwegen ist mit 2025 hier Vorreiter. (Bild: AdobeStock 125980820, scharfsinn86 )

Es versteht sich, dass der Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen erheblich mehr Elektronik enthält als jener von Verbrennern. Neben der Motorregelung kommen auch die Überwachung und das Management der Batterie in Spiel. Der zunehmende Bedarf an Elektronik hat jedoch noch weitere Ursachen, denn die Autos werden mit immer neuen Funktionen ausgestattet, die sich – beginnend in der Oberklasse – anschließend auch im Massenmarkt durchsetzen. Neben Fahrassistenzsystemen sind hier auch Telematikfunktionen und digitale Cockpits zu nennen. Schätzungen zufolge basieren etwa 90 Prozent der Innovationen in der Automobilindustrie auf Elektronik.

Wie sich die Architekturen im Auto ändern

Wenn in der Vergangenheit neue Features Eingang in ein Fahrzeug fanden, wurde ein neues elektronisches Steuergerät (Electronic Control Unit, ECU) hinzugefügt, das die zur Implementierung dieses Features nötigen Bauteile steuerte. Inzwischen ist die Entwicklung aber an einem Punkt angelangt, von dem an sich das Hinzufügen von immer mehr ECUs auf die Kosten und die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs auswirkt. Jedes neu hinzukommende Feature erfordert weitere Komponenten, die ihrerseits mehr Verkabelung benötigen und mehr Strom verbrauchen. Dies wiederum erhöht nicht nur das Gewicht und die Kosten des Autos, sondern beansprucht auch immer mehr Bandbreite seines Kommunikationssystems. Verschärft wird dieses Problem dadurch, dass beispielsweise aktuelle Bildverarbeitungs-Systeme erheblich mehr Bandbreite benötigen. Besonders bei Elektrofahrzeugen kommt hinzu, dass sich das Gewicht des Fahrzeugs unmittelbar auf seine Reichweite auswirkt und dass die Reichweite außerdem umso geringer wird, je mehr Batterieenergie für Funktionen wie das Infotainment-System abgezweigt wird.

Die bisherige Ad-hoc-Architektur wird bereits durch eine eher hierarchische Struktur verdrängt. Features mit ähnlichen Funktionen werden zu so genannten Domains zusammengefasst und können teils dieselben ECUs nutzen. Zum Beispiel kann es die Domains Karosserie, Komfort, Infotainment, Antriebsstrang und Fahrassistenz geben, sodass sich die Zahl der ECUs im Fahrzeug auf ein überschaubareres Maß verringern lässt. Dennoch ist dies nur eine temporäre Maßnahme, mit der sich die Kosten kurzfristig in Zaum halten lassen. Wenn für die einzelnen Anwendungen immer mehr und immer komplexere Elektronik zum Einsatz kommt, werden die Kosten dafür erneut schnell ansteigen. Eine weitere wichtige Neuerung bei den Fahrzeugarchitekturen war die Hinzufügung eines zentralen Gateways, mit dessen Hilfe sich die Software drahtlos (Over The Air, OTA) aktualisieren lässt.

In dem Wissen, dass die Konsolidierung mehrerer Features in einer Domain-Struktur nur kurzfristig Abhilfe schaffen würde, vollziehen die Hersteller bei den Automobil-Architekturen bereits den nächsten Schritt, wobei der Fokus nicht mehr auf Domains, sondern auf Zonen liegt. Notwendig ist die zonale Architektur nicht nur, um die Zahl der ECUs zu reduzieren, sondern auch, um die Integration fortschrittlicherer Features (z. B. die Fähigkeit zum eigenständigen Fahren) zu ermöglichen. Diese Architektur wird durch einen leistungsfähigen zentralen Computer dominiert und eine Reihe von Zonen-Gateways aufweisen, die sämtliche Funktionen in ihrer räumlichen Umgebung steuern. Es versteht sich, dass dieser zentrale Computer deutlich leistungsfähiger sein muss als nahezu alles, was bisher in Autos verbaut wurde.

Bild 2: Die zunehmende Vernetzung von Fahrzeugen untereinander und mit der Infrastruktur macht sie auch anfällig für Cyberangriffe. Normen sollen dabei helfen, sie vor Angriffen zu schützen.
Bild 2: Die zunehmende Vernetzung von Fahrzeugen untereinander und mit der Infrastruktur macht sie auch anfällig für Cyberangriffe. Normen sollen dabei helfen, sie vor Angriffen zu schützen. (Bild: AdobeStock 275280061, chesky)

Bedeutung von Software in Kraftfahrzeugen wächst

Schon seit Jahren nimmt die Bedeutung von Software in Kraftfahrzeugen zu, und der Umstieg auf zonale Architekturen wird ihren Stellenwert exponentiell zunehmen lassen. Anstatt neue Features durch Nachrüstung eines elektronischen Steuergeräts zu implementieren, wird in einem zonalen System die Software die wichtigste Methode sein, um neue Funktionen hinzuzufügen oder sich mit Alleinstellungsmerkmalen von anderen Herstellern abzusetzen. Die hauptsächlich softwarebasierte Steuerung sicherheitsrelevanter Fahrzeugelektronik, verbunden mit der Fähigkeit zum Nachrüsten und Aktualisieren von Features über OTA-Updates, führt zusammen mit der Notwendigkeit für Fahrassistenzsysteme und autonome Fahrzeuge, drahtlos mit anderen Fahrzeugen und der Infrastruktur kommunizieren zu können, dazu, dass die Fahrzeuge immer anfälliger gegen Hackerangriffe werden. Um dieser Bedrohung entgegenzuwirken, setzen Staaten und Organisationen auf die Einführung von Normen, die helfen sollen, Fahrzeuge vor Angriffen aus dem Cyberspace zu schützen. Beispiele für derartige Standards sind UNECE WP.29 R155 in Japan und Korea sowie (EU) 2019/2144 in der Europäischen Union. Diese neuen Vorschriften werden bald in Kraft treten – die (EU) 2019/2144 beispielsweise ab 6. Juli 2022 für alle neuen Fahrzeugtypen bzw. ab 7. Juli 2024 für sämtliche Neufahrzeuge. Betroffen sein werden auch die Bauteil-Zulieferer, die ein Cybersecurity-Managementsystem für alle ihre Produkte vorweisen müssen.

Bauteile und Fertigung: Automobilhersteller gehen neue Wege

Die Automobilhersteller waren gegenüber neuen Bauteilen, ob elektrisch oder mechanisch, stets konservativ eingestellt. Aufgrund der langen Designzyklen konnte es bis zu zehn Jahre dauern, bis neue Komponenten Eingang in die Autos fanden. Diese langsame Integration kam den Herstellern entgegen, da viele der Bauteile, die sie vor Beginn der Knappheit verwendeten, mit älteren Prozesstechnologien in Foundrys produziert wurden, die ihre Einstandskosten bereits hereingespielt hatten. Dementsprechend niedrig waren die Preise für Automobilelektronik. Allerdings arbeiteten diese älteren Foundrys auch vor der Verknappung nahezu mit voller Auslastung, sodass angesichts der gestiegenen Nachfrage nach Automobilelektronik neue Fabs errichtet werden müssen. Als Konsequenz hieraus aber werden die Automobilhersteller künftig nicht mehr auf die gewohnten Preisabschläge hoffen können, denn die Fab-Betreiber möchten das investierte Geld natürlich wieder hereinarbeiten. Überall auf der Welt haben Chiphersteller bereits Pläne bekanntgegeben, neue Fabriken in Betrieb zu nehmen und ihre Kapazitäten zur Lieferung von Chips auf der Basis aktuellerer Prozesse aufzustocken. Infolge der einfachen Verfügbarkeit von Chips, die auf den neuen Prozessen beruhen, könnte es damit wirtschaftlich sein, von den älteren, etablierten Prozessen abzugehen und stattdessen von der höheren Leistungsfähigkeit und dem geringeren Stromverbrauch der neuen Prozesse zu profitieren und sich damit in gewisser Weise gegen künftige Lieferketten-Problemen zu wappnen.

Das gerade beschriebene Szenario ist in vielen Fällen bereits Wirklichkeit geworden. Die Umstellung auf Elektrofahrzeuge, verbunden mit der bevorstehenden Einführung autonomer Fahrzeuge, hat neuen Herstellern einen Weg in den Markt geebnet. Eine Möglichkeit, wie diese Unternehmen einen Vorteil gegenüber traditionellen Herstellern erlangen können, besteht in der Verwendung der aktuellsten Bauteile, um den Anwendern mehr Performance, einen größeren Aktionsradius und fortschrittliche Features bieten zu können. Vorreiter dieser neuen Hersteller ist Tesla. Nikkei Business Publications hatte im Jahr 2020 einen Tesla Model 3 zerlegt und dabei entdeckt, dass Tesla den übrigen Automobilherstellern um sechs Jahre voraus war und bereits den Umstieg auf ein hochgradig zentralisiertes System vollzogen hatte, mit nur noch einer Handvoll ECUs. Dabei besteht große Ähnlichkeit mit der zonalen Architektur, auf die die übrigen Hersteller gerade hinarbeiten. Es ist gut möglich, dass diese Feststellung die anderen Unternehmen dazu veranlassen kann, ihr eigenes Streben nach einer zonalen Architektur zu beschleunigen, wobei allerdings ein großer Teil ihrer alten Lieferkette außen vor bleiben könnte. Stützte sich die Domain-Architektur noch im Wesentlichen auf das traditionelle Lieferketten-Modell, werden bei der zonalen Architektur viele ECUs komplett aus dem System verbannt.

Kooperation von Mercedes-Benz und Nvidia als Beispiel für neue Strukturen

Einen Ausblick auf die Zukunft mag vielleicht die Partnerschaft bieten, die im Juni 2020 zwischen Mercedes-Benz und Nvidia angekündigt wurde. Beide Unternehmen werden dabei eng zusammenarbeiten, um ein fahrzeuginternes Computersystem und eine KI-Computing-Infrastruktur auf Basis der Nvidia-Drive-Plattform zu realisieren, die bereits ab 2024 in allen Baureihen von Mercedes-Benz eingeführt werden sollen. Sollte diese Architektur Ähnlichkeit mit jener im Tesla Model 3 haben, würde dies eine grundlegende Abkehr von der traditionellen Lieferkette von Mercedes-Benz bedeuten. Das Unternehmen würde dadurch vermehrt direkt mit den Zulieferern zusammenarbeiten. Die Bauelemente, die zur Unterstützung dieser Plattform und ihrer zonalen Architektur notwendig sind, müssten ebenfalls leistungsfähiger sein, um mit den fortschrittlichen Prozessoren Schritt halten zu können. Ein kleiner Schritt in diese Richtung wurde bereits vollzogen, indem in der Domain-Architektur das zentrale Kommunikations-Gateway eingeführt wurde.

Von der Krise in die Beschleunigung

Auch wenn der Wunsch nach Normalität und dem Hochfahren der Produktion bei OEMs und Zulieferern nach zwei Jahren Krise hoch ist, ist ein wirkliches Ende der Bauteilknappheit noch nicht wirklich absehbar. Doch die Krise hat bei genauer Betrachtung auch eine gute Seite, denn sie wirkt als Katalysator für die Einführung neuer Technologien und Architekturen. Um sich zukunftssicher aufzustellen, gehen OEMs dazu über, auf die aktuellsten Chipgenerationen zu setzen, denn für diese sind noch am ehesten Fertigungskapazitäten vorhanden. Auch Software, Cybersecurity und unterstützende Bauteile wie Speicher dürfen dabei nicht aus den Augen gelassen werden.

Sichere Speicherbausteine

Unterstützenden Bauelementen wie etwa Speichern kommt in dem System ebenfalls eine wichtigere Rolle zu als bisher. Die Speicher, deren Aufgabe es bisher war, dem Prozessor zur richtigen Zeit die jeweils benötigten Daten zur Verfügung zu stellen, stehen künftig im Mittelpunkt des Kampfs gegen Cyberattacken. Hierfür müssen sie zusätzlich nachweisen, dass sie den jetzigen und künftigen Gesetzen bezüglich der funktionalen Sicherheit und der Cybersecurity entsprechen. Ein Beispiel für Speicher dieser Art ist das ISO-26262-qualifizierte und ASIL-C-taugliche TrustME W77Q Secure Flash von Winbond.

Dieser Speicher ist für die Verwendung im Zentrum der automobilen Kommunikation und für zonale Gateways konzipiert und bietet neben einem hardwaremäßigen Vertrauensanker auch verschlüsselte Datenspeicher- und Datentransfer-Fähigkeiten. So ist sichergestellt, dass die empfangenen und übertragenen Daten keine Daten enthalten können, mit denen ein Angriffsvektor in das System gelangt. Ein derartiger Schutz fängt solche Bedrohungen gleich an ihrer Quelle ab und zeichnet sich überdies durch hohe Performance aus, damit aktuelle Prozessoren mit ihrer vollen Kapazität arbeiten können. Die Verwendung von Bauteilen dieser Art bedeutet für die Automobilhersteller eine große Erleichterung, da die Produkte bereits für die einschlägigen Gesetze qualifiziert sind und sämtliche Sicherheitsmaßnahmen enthalten, die für Domain-Architekturen und zonale Architekturen erforderlich sind. (na)

Der Beitrag beruht auf Material von Winbond.

Die Autorin: Dr.-Ing. Nicole Ahner

Die Autorin: Dr. Nicole Ahner
(Bild: Hüthig)

Ihre Begeisterung für Hardcore-Physik und Materialentwicklung sorgte dafür, dass sie im Rahmen ihres Elektrotechnik-Studiums ihre wahre Berufung fand, die sie dann auch ins Zentrum ihres beruflichen Schaffens stellte: die Mikroelektronik und die Halbleiterfertigung. Nach Jahren in der Halbleiterforschung recherchiert und schreibt sie mittlerweile mit tiefem Fachwissen auch über elektronische Bauelemente. Ihr besonders Fables gelten Wide-Bandgap-Halbleitern, Batterien und Wasserstoff-Technologien und Materialentwicklung.

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