Middleware: Rückgrat für smarte SDV-Architekturen

Die Automobilindustrie befindet sich in einem beschleunigten digitalen Wandel. Das Software-definierte Fahrzeug (SDV) revolutioniert die Art und Weise, wie Autos gebaut und genutzt werden. Das SDV verändert sowohl die Beziehung zwischen der Fahrzeug-Hardware und dem Nutzererlebnis an Bord als auch die Art und Weise, wie die Wertschöpfungskette organisiert ist. Durch Aktualisierungen und die Einführung neuer Funktionen während des gesamten Lebenszyklus des Fahrzeugs wird ein smartphoneähnliches Erlebnis geschaffen. Dieser neue Ansatz verspricht, die Fahrzeugfunktionalität entscheidend zu verbessern, um das Fahrzeug immer sicherer, effizienter und persönlicher zu machen.

Für die Automobilhersteller stellt der Übergang zum SDV eine große Herausforderung dar, denn er erfordert oft eine komplette Neugestaltung der elektrischen/elektronischen Architektur des Fahrzeugs. Außerdem muss serienmäßig leistungsfähige Hardware eingebaut werden, die künftige Softwarefunktionen über die gesamte Lebensdauer unterstützen kann. Dies erfordert eine Änderung des Geschäftsmodells, die komplex und zeitaufwändig ist. Nichtsdestotrotz investieren derzeit alle Hersteller, unabhängig von ihrer Größe oder Region, massiv in die Entwicklung von SDVs.

Da die Hardware und die Software eines Fahrzeugs unterschiedliche Lebenszyklen haben, wird die Entkopplung von Software und Hardware in einem Fahrzeug zu einem wichtigen Entwicklungsprinzip für SDVs. Nur so können die Möglichkeiten von SDVs voll ausgeschöpft und die Fahrzeugfunktionalitäten aktuell und sicher gehalten werden, nachdem ein Auto das Montagewerk des OEMs verlassen hat. Diese unterschiedlichen Lebenszyklen von Hard- und Software sind beides zugleich: eine Herausforderung und eine Chance für neue Geschäftsmodelle.

Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Fahrzeug kann die Software in einem SDV in Zukunft angepasst werden, um das Fahrzeug beispielsweise mit neuen Funktionen auszustatten, die zum Zeitpunkt der Markteinführung noch gar nicht existierten. Besonders interessant könnte dies als neues Geschäftsmodell für den Gebrauchtwagenmarkt sein, da die Käufer nicht mehr durch die Auswahlmöglichkeiten der Vorbesitzer eingeschränkt sind. Dies wird zu wiederkehrenden Einnahmen nach dem SOP (Start of Production) führen, ein wichtiges Element für die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle.

Von verteilten Steuergeräten zur zonalen E/E-Architektur

In traditionellen Automobilarchitekturen hat jede Fahrzeugfunktion ihr eigenes Steuergerät (ECU, Electronic Control Unit), was zu einer sehr verteilten Architektur führt, mit Hardware- und Softwareelementen, die von vielen verschiedenen Parteien mit unterschiedlichen Standards stammen und unabhängig voneinander entwickelt wurden. Im Gegensatz dazu zentralisiert das SDV die elektrische/elektronische (E/E) Architektur und verwendet eine reduzierte Anzahl von leistungsfähigeren Domain Controllern, um Kernfunktionen und Domänen im Fahrzeug zu managen. Dadurch wird die E/E-Architektur des Fahrzeugs vereinfacht, sein Gewicht reduziert (weniger Kabel) und seine Effizienz erhöht. Darüber hinaus ist mit diesem neuen Ansatz die Konnektivität des Fahrzeugs fest in der Architektur verankert, die beispielsweise für die Aktualisierung von Funktionen unerlässlich ist.

Domänencontroller bieten nicht nur gemeinsame Rechen-, sondern auch Speicherkapazität, beides mit genügend Spielraum, um eine große Anzahl von Anwendungen zu hosten. Typische Domänen sind Fahrassistenzsysteme, Infotainment, Konnektivität, Karosserie und Fahrwerk. Ihre Architektur ist für die Anforderungen des jeweiligen Bereichs in Bezug auf Sicherheit, Schnittstellen, Protokolle usw. optimiert. ADAS und Infotainment haben den höchsten Bedarf an Rechenleistung, weshalb in diesen Bereichen ein oder mehrere Systems on Chip (SoC) eingesetzt werden.

Wie ein komplettes Computersystem bietet ein SoC Rechen- und Speicherkapazitäten, die auf mehrere Kerne verteilt sind. Er kann auch spezielle Rechenstrukturen integrieren, die für künstliche Intelligenz optimiert sind. Je leistungsfähiger ein SoC ist, desto schnellere und komplexere Rechenaufgaben kann er ausführen. So könnte es beispielsweise Geschwindigkeitsbegrenzungen anhand von Kamerabildern erkennen und gleichzeitig die genaue Position des Fahrzeugs in einer hochauflösenden Karte berechnen sowie Radarsignale und Beschleunigungsdaten klassifizieren, um zu berechnen, dass ein anderes Fahrzeug den Weg kreuzt und eine Bremsaufforderung auszulösen.

SoCs werden von Unternehmen wie Mobileye, Qualcomm, Nvidia oder NXP, TI oder Renesas entwickelt. Diese Unternehmen entwickeln kundenspezifische Chips, die für Automobilanwendungen optimiert sind. Führende Anbieter haben Synergien mit Rechenzentren oder Unterhaltungselektronikanbietern genutzt. Die Wahl des SoC hängt von den Anforderungen an die Rechenleistung und die Funktionalitäten ab. In China hat sich inzwischen ein eigenes Ökosystem entwickelt, in dem Unternehmen wie Horizon Robotics, Momenta und sogar Automobilhersteller ihre eigenen SoCs entwickeln.

Um die knappen Rechenressourcen im Fahrzeug besser auszunutzen, können SoCs zu einem zentralen Rechencluster kombiniert werden, der mehrere Bereiche und Softwareschichten integriert:

1. Betriebssysteme verwalten die Rechen- und Speicherkapazitäten der Mikrocontroller oder SoCs, um die Ausführung der zu implementierenden Funktionen unter Berücksichtigung ihrer Kritikalität zu gewährleisten. Die Sicherheitsfunktionen haben Vorrang vor den Unterhaltungsfunktionen.
2. Die Middleware ist das grundlegende Bindeglied, das die Kommunikation zwischen den Anwendungen und dem SoC ermöglicht und das Funktionieren des Gesamtsystems gewährleistet.
3. Applikationen sind die Software, die die Funktionen bereitstellt, die für den Benutzer direkt sichtbar sind wie beispielsweise Navigation oder Fahrerassistenz.

Valeo entwickelt und liefert Schlüsselelemente für die Entwicklung dieser SDV-Architekturen: Hightech-Komponenten, Hochleistungs-Controller, Anwendungsprodukte sowie Systemkompetenz zur Optimierung von Automobilarchitekturen. Im Jahr 2023 brachte das Unternehmen seine offene, skalierbare und modulare Lösung „Valeo anSWer“ auf den Markt. Dieses Ökosystem umfasst die Valeo-Middleware vOS, die die Kommunikation zwischen dem SoC und den Anwendungen ermöglicht, die von Valeo, dem OEM oder einem Drittanbieter stammen können. Da der Lebenszyklus der Software in einem Fahrzeug noch viele Jahre nach dem Verlassen des Montagewerks und sogar noch Jahre nach dem Ende der Produktion andauert, benötigen die OEMs Fachwissen bei der Entwicklung, Integration, Validierung und Wartung der Softwarearchitektur. Daher sind Dienstleistungen zur Unterstützung von Off-Board-Diensten in der Cloud, Integration, Validierung, Prüfung und Wartung ebenfalls Teil der „Valeo anSWer“-Lösung.

Die OEMs verfolgen in Bezug auf die Software-Ökosysteme in ihren SDVs unterschiedliche Strategien. Einige sind bestrebt, ihre eigenen Betriebssysteme und Plattformen zu entwickeln – was zeitaufwändig und teuer ist, aber die volle Kontrolle über die Nutzung und zukünftige Geschäftsmodelle bietet. Viele von ihnen gehen jedoch verstärkt Partnerschaften ein und kooperieren intensiver mit klassischen Softwareunternehmen oder Automobilzulieferern, die ihr Software-Know-how aufgebaut haben und den Schritt in Richtung SDV gemeinsam mit Zulieferern wie Valeo gehen. Da ein SDV die Implementierung eines ganzen Ökosystems erfordert, hat sich die Automobilindustrie von einer starken Top-Down-Hierarchie zwischen OEMs und Zulieferern hin zu einem partnerschaftlichen Ansatz mit offener Innovation und gemeinsamer Entwicklung entwickelt.

Um eine Middleware-Lösung anbieten zu können, die die technischen Anforderungen der SDV-Ära erfüllt und diesem Trend zur Zusammenarbeit, zu offenen Standards und zur Integration in den Markt folgt, wurden die folgenden Merkmale zu wichtigen Design-Features der vOS-Middleware von Valeo:

Portabilität und Interoperabilität: Die Portabilität stellt sicher, dass die Software unabhängig von der zugrunde liegenden Hardware ausgeführt werden kann. Da die Entkopplung von Hardware und Software zu einem wichtigen Prinzip der SDV geworden ist, wurde das vOS von Valeo vollständig SoC-unabhängig entwickelt, damit OEMs die freie Wahl haben. Es abstrahiert die Anwendungsschicht von der zugrundeliegenden Hardware, indem es sowohl Sensorabstraktion als auch umfangreiche Automotive Services bietet. vOS bietet auch Interoperabilität, die es ermöglicht, verschiedene Ausführungsumgebungen zu hosten und zu orchestrieren – zum Beispiel mit mehreren virtuellen Maschinen oder in einem Container-basierten Ansatz. Diese Möglichkeit, Systeme mit unterschiedlicher Kritikalität zu hosten und zu orchestrieren, wird immer wichtiger, da moderne SDVs ein breites Spektrum an softwaredefinierten Funktionen bieten: von grundlegenden Fahrinformationen, Navigation und Infotainment bis hin zu ADAS-Funktionen für das assistierte Fahren. Vor allem die letztgenannten – wie auch künftige Systeme für das automatisierte Fahren – sind sicherheitskritisch und müssen in einer anderen, besonders ausfallsicheren Umgebung betrieben werden.

Skalierbarkeit & Upgradability: Die Möglichkeit, die Hauptfunktionen auszubauen, zusätzliche persönliche Fahrzeug-Features oder sogar völlig neue Dienste ergänzen zu können, lange nachdem das Auto sein Werk verlassen hat, ist ein wesentlicher Vorteil des SDV. Da die Rechenkapazitäten während des langen Lebenszyklus eines Fahrzeugs durch System-Updates oder das Hinzufügen völlig neuer Funktionen knapp werden können, ist eine nachhaltige Skalierbarkeitsstrategie für zukünftige Szenarien von entscheidender Bedeutung. Valeo entschied sich daher, die Skalierbarkeit sowohl für die Hardware- als auch für die Softwarekomponenten der Middleware sicherzustellen. Das vOS von Valeo ermöglicht eine nahtlose Skalierbarkeit, die durch ein modulares zentrales Hardware-Design ergänzt wird, das mit austauschbaren Rechen- und Speicherkassetten arbeitet. Dies ermöglicht es vOS, verschiedene Funktionen über bestehende und neu angeschlossene Knoten zu orchestrieren, so dass Rechenkapazitäten an zukünftige Anforderungen angepasst und neue Funktionen noch Jahre nach Produktionsende hinzugefügt werden können. Dies bietet auch eine zuverlässige Basis für verschiedene Upgrades auf der Anwendungsebene.

Safety & Security: In Bezug auf die Sicherheit von Kraftfahrzeugen gibt es zwei verschiedene Aspekte, die berücksichtigt werden müssen: die Ausfallsicherheit für unterstützte und/oder autonome Fahrfunktionen und die Cybersicherheitsaspekte, die für OTA-Updates (Over-the-Air) und allgemeine Softwarevalidierungsprozesse wichtig sind. Im Allgemeinen entwickelt Valeo seine Produkte gemäß der UN R155-Vorschrift und der ISO/SAE 21434-Norm, um die Cybersicherheit sowohl der Hardware als auch der Software zu gewährleisten, und stellt in Bezug auf OTA gemäß der UN R156-Vorschrift die Wartung von SDVs sicher. Darüber hinaus sind die Architektur und die Software der vOS-Middleware darauf ausgelegt, die Sicherheitsstandards auf ASIL-D (Automotive Safety Integrity Level D) anzuheben. ASIL ist ein Risikoklassifizierungsschema, das in der Norm ISO 26262 (Funktionale Sicherheit für Straßenfahrzeuge) definiert ist. Stufe D bezeichnet die höchste Einstufung des Verletzungsrisikos und die strengste Stufe der Sicherheitsmaßnahmen, die nach dieser Norm zur Vermeidung eines unangemessenen Restrisikos anzuwenden sind.

Konnektivität & Cloud/Edge Enablement: Das moderne SDV ist vernetzt und ohne Ressourcen in der Cloud kaum noch denkbar: So wird beispielsweise der OTA-Prozess von Cloud-basierten Systemen initiiert und unterstützt. Auch Navigations- und Infotainmentsysteme sowie KI-basierte Fahrfunktionen nutzen häufig Speicher-, Rechen- und Streamingkapazitäten in und aus der Cloud. Darüber hinaus können fahrzeuginterne Daten über die Motorleistung oder die Reichweite der Batterie usw. zur Analyse und Optimierung in die Cloud übertragen werden. Die Cloud entlastet so die knappen Rechenkapazitäten an Bord, die äußerst effizient genutzt werden müssen. Das macht einen Lastausgleich zwischen den Rechenressourcen in der Cloud (off-board) und im Fahrzeug (on-board, Edge) notwendig. Die vOS-Middleware wurde deshalb so konzipiert, dass sie Cloud-/Edge-basiertes Computing ermöglicht.

Um für die Anforderungen seiner Kunden flexibel und anpassungsfähig zu bleiben, hat Valeo seine vOS-Middleware nicht als monolithischen Softwareblock, sondern als ein mehrschichtiges System von Paketen entwickelt. Valeos vOS kommt in einer klar strukturierten Architektur mit Paketen, die nach den Wünschen und Anforderungen der OEMs kombiniert werden können: mit einem marktreifen Paket zur Verbindung mit Hardware und SoCs verschiedener Anbieter, mit seinem zentralen Middleware-Paket und mit einem Paket für die Anbindung der Applikationen, die die verschiedenen Fahrzeugfunktionen für den Fahrer ermöglichen.