So lässt sich die Entwicklung der Fahrzeugelektronik beschleunigen

AUTOMOBIL-ELEKTRONIK: Marc Serughetti, wie läuft das Geschäft?

Marc Serughetti:  Letztes Jahr erreichte Synopsys die Marke von drei Milliarden US-Dollar. Mit mehr als 13.000 Mitarbeitern steht Synopsys im Mittelpunkt von Innovationen, die unsere Lebens- und Arbeitsweise verändern: Das Internet der Dinge, autonome Autos, Wearables, intelligente medizinische Geräte, sichere Finanzdienstleistungen, maschinelles Lernen und Computer-Vision. Heute sind wir die Nummer Eins bei Produkten für Design und Verifikation von Halbleitern. Wir haben das breiteste Portfolio an IP, das sich in der Silizium-Halbleiterherstellung bewährt hat, und wir sind die Nummer Eins bei Interface-, Analog- und Embedded-Speichern. Außerdem sind wir führend in Sachen Software-Sicherheit und -Qualität.

Für Automotive entwickeln unsere Kunden die erstaunlichsten Chips und die leistungsstarke, sichere Software, die die Innovationskraft des Automobils vorantreiben. Mit dem Wechsel der elektrischen beziehungsweise elektronischen Fahrzeugarchitektur auf die High Computing Platform (HCP), die den Antriebsstrang, ADAS-, Comfort-, Infotainment- und Gateway-Domänen unterstützt, sehen wir einen zunehmenden Bedarf, das Chip-Design sowie die Software- und Systementwicklung zu beschleunigen, die funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten und Security zu einer treibenden Kraft zu machen. Auf diese Schlüsselbereiche konzentrieren wir uns, und unsere Kunden reagieren äußerst positiv auf unsere Lösungen in diesen Bereichen.

„Modelle sind der Schlüssel zur Beschleunigung der Verfügbarkeit eines virtuellen Steuergeräts.“ Alfred Vollmer

Was sind die Herausforderungen bei der Entwicklung der Auto­mobil-Systemelektronik für die neuen Fahrzeugarchitekturen?

Marc Serughetti:  Die größte Herausforderung, die wir heute sehen, besteht darin, dass wir von der relativ einfachen Elektronik zu einem Elektroniksystem übergehen, das aus immer komplexerer Hardware besteht. Diese ist hochgradig vernetzt und muss mehr Software-Inhalte unterstützen – und das führt zu Verzögerungen in der gesamten Lieferkette. Betrachtet man die heutigen OEM-Timelines, so beginnt die Konzeptphase derzeit 48 Monate oder vier bis fünf Jahre vor Produktionsbeginn (SOP). Dann führt der Weg durch die Konzeptentscheidung, die Markteinführung des Releases, bevor schließlich das Produkt herauskommt, das mehrere Systeme von unterschiedlichen Tier-1s integriert.

Wenn wir uns auf den elektronischen Teil, also Hard- und Software konzentrieren, beginnt die von Tier-1s gelieferte Hardware in der Regel mit einem A-Muster, gefolgt von einem B-Muster, das eine andere Version der Hardware darstellt, und am Ende steht das C-Muster, das im Grunde genommen schon auf dem Weg in die Massenproduktion ist. Immer mehr OEMs sagen heute, dass sie kein A-Muster mehr bekommen. Dies bedeutet, dass immer mehr Software in immer kürzerer Zeit zu entwickeln und zu validieren ist – nicht nur funktional, sondern auch im Zusammenhang mit Anforderungen an Safety und Security.

Marc Serughetti (rechts, im Gespräch mit AUTOMOBIL-ELEKTRONIK-Chefredakteur Alfred Vollmer): „Shift Left bedeutet, früher mit der Bereitstellung einer virtuellen Version des A-Samples zu beginnen, Fehler früher zu beheben, Testzyklen zu beschleunigen, indem die Entwicklung von der physischen Systemverfügbarkeit entkoppelt wird und ein kooperativer Entwicklungsansatz zwischen dem Entwicklungsteam und der gesamten Lieferkette der Automobilelektronik ermöglicht wird.“ Alfred Vollmer

Damit wirken sich verzögerte Verfügbarkeit, erhöhte Verifikations- und Validierungsanforderungen und kürzere Entwicklungszeiten direkt auf die kritische Fehlerkurve aus. So kann ein Unternehmen in eine Situation kommen, in der es entscheiden muss, ob es die Hardware ändert, ältere Hardware verwendet, bei der die Leistung eingeschränkt und nicht auf neue Funktionen während der Lebensdauer des Fahrzeugs skalierbar ist, oder die Einführung neuer Funktionen und Software reduziert beziehungsweise verzögert. Dies wirkt sich direkt auf das Image des Unternehmens und seine Chancen am Markt aus. Daher ist der Wechsel von einer hardware-basierten zu einer virtuellen Entwicklungsumgebung der Schlüssel, um Abhängigkeiten von der Hardware- und Software-Entwicklung zu verringern, die Softwareentwicklung früher zu starten sowie die System- und Software-Testzyk­len zu beschleunigen. Virtuelle SoCs und virtuelle ECUs sind die Grundlage, um diesen Herausforderungen zu begegnen.

Inwiefern ersetzt ein virtuelles Steuergerät das A-Muster?

Marc Serughetti:  Einfach ausgedrückt, kann ein virtuelles Steuergerät verfügbar sein und lässt sich parallel zur Hardware-Entwicklung einsetzen – beginnend mit der Erfassung der Spezifikationen und kontinuierlich während der Implementierung und Verifizierung der Hardware. Es kann auch weiter kontinuierlich genutzt werden, wenn die Hardware nicht mehr verfügbar ist. Unter einer virtuellen ECU versteht man eine schnelle Simulation eines elekt-ronischen Steuergeräts oder eines Domänen-Controllers. Virtuelle Steuergeräte können unterschiedliche Genauigkeiten aufweisen, die verschiedenen Entwicklungsaufgaben gerecht werden. Für die bisher beschriebenen Herausforderungen für Hard- und Software beschreiben wir das virtuelle Steuergerät als eine schnelle Simulation der physikalischen Hardware, die einen kompletten Software-Stack von der hardwareabhängigen Software bis hin zur Anwendungssoftware ausführen kann – genau so, als wäre es die echte physikalische Hardware. Die Simulation besteht aus mehreren virtuellen Chips (Virtual SoC oder MCU) und lässt sich agil und iterativ aufbauen, ausgehend von einer einzelnen SoC- oder MCU-Subgruppe. Dadurch kann sich die Entwicklung quasi nach links verschieben, was wir Shift Left nennen.

Was meinen Sie mit Shift Left?

Marc Serughetti:  Heute müssen die OEMs den aktuellen Entwicklungsprozess unterbrechen. Dieser ist linear, setzt keine Simulationstechnologien ein und hält die Hard- und Software-Entwicklung voneinander abhängig. Führende OEMs weltweit drängen darauf, von einer physischen zu einer virtuellen Umgebung überzugehen. Ein solcher Wandel hat sich in mehreren anderen Anwendungsbereichen und Märkten vollzogen. So geschieht beispielsweise die Entwicklung mechanischer Systeme virtuell, und seit vielen Jahren entwickeln die Halbleiter- sowie die Luft- und Raumfahrtindustrie ihre Produkt in einer virtuellen Umgebung unter Verwendung von Hardware-/Software-Co-Design sowie von Simulationsmodellen. Der Wechsel zu High-Computing-Plattformen mit komplexerer Hard- und Software zwingt die Automobilindustrie, sich mit der Anwendung dieser Konzepte auf elektronische Systeme im Automobil zu befassen. Hier setzt Synopsys mit der Virtual-ECU-Lösung an.

Shift Left bedeutet, früher mit der Bereitstellung einer virtuellen Version des A-Samples zu beginnen, Fehler früher zu beheben, Testzyklen zu beschleunigen, indem die Entwicklung von der physischen Systemverfügbarkeit entkoppelt wird und ein kooperativer Entwicklungsansatz zwischen dem Entwicklungsteam und der gesamten Lieferkette der Automobilelektronik ermöglicht wird.

Was ist der Vorteil in Bezug auf den Entwicklungszeitrahmen?

Marc Serughetti:  Aus zeitlicher Sicht betrachten wir zwei Aspekte. Als Erstes liegt der Entwicklungsbeginn früher. Für einen neuen Mikrocontroller oder ein SoC bedeutet dies, dass die Entwicklung zwischen 12 und 18 Monaten vor dem ersten verfügbaren physischen Sample beginnt. Softwareentwickler beim Halbleiterhersteller können ihre Entwicklung damit früher beginnen. Die Kombination aus virtuellem SoC und Halbleiter-SDK kann der Halbleiterhersteller dann dem Tier-1 und dem OEM früher zur Verfügung stellen. Diese können dann ein virtuelles Steuergerät erstellen und ihre eigene Softwareentwicklung früher starten.

Der zweite Aspekt ist die schnellere Entwicklung. In einer Tier-1-Fallstudie wurde ein Vergleich zwischen einer physikalischen und einer virtuellen Testumgebung durchgeführt. Von der Planung, Konfiguration, Ausführung und Analyse des Ergebnisses führte die Nutzung der virtuellen Umgebung dazu, dass der Testablauf von 327 Stunden auf 53 Stunden (plus 80 %) verkürzt und gleichzeitig die Testabdeckung erhöht wurde. Der Benefit in der Konfigurations- und Analysephase war signifikant, denn dort sorgten die Möglichkeiten eines virtuellen Steuergeräts, nämlich die Debugging-Visibility, Analyse sowie eine einfachere softwarebasierte Konfiguration, für den maximalen Nutzen.

Welche Schlüsseltechnologien liefert Synopsys?

Marc Serughetti:  Die von uns gelieferten Technologien konzentrieren sich auf drei Bereiche: Tools, Modelle und Automotive-Flow-Integration. Zu den Tools gehören zum Beispiel schnelle Simulations-Engines, die virtuelle Montage von Steuergeräten und ihren Erweiterungen sowie Debugging und Analyse. Diese Tools bieten den Software-Entwicklungsteams den Mehrwert eines physischen, hardwarebasierten Debuggings. Synopsys greift dabei auf seine jahrelange Erfahrung in der Technologie zurück, um den Endanwendern eine umfassende Plattform für Modellierung, Debugging und Simulation bereitzustellen. Die Endanwender sind dabei Modellierer, Softwareentwickler und Tester.

Modelle sind der Schlüssel zur Beschleunigung der Verfügbarkeit eines virtuellen Steuergeräts. Synopsys arbeitet mit den weltweit führenden Halbleiterherstellern zusammen, um virtuelle SoCs zu entwickeln, die Entwicklung von Halbleitersoftware zu beschleunigen und eine reibungslose Lieferung an Automotive-Tier-1s und OEMs zu ermöglichen. In diesem Bereich nutzen wir unsere langjährige Präsenz im Dienste der Halbleiterindustrie. Synopsys hat mit führenden Halbleiterunternehmen wie NXP, Infineon, Renesas, ST und vielen anderen zusammengearbeitet.

Das virtuelle Steuergerät muss in eine Tier 1- oder OEM-spezifische Entwicklungsumgebung integriert werden. Wir bezeichnen dieses Vorgehen als Automotive-Flow-Integration. Beispiele für eine solche Integration sind die Co-Simulation für die Multi-Domain-Simulation mit dem FMI genannten Functional Mockup Interface, die Integration mit Debuggern und Testwerkzeugen sowie mit speziellen Tools für Kalibrierung, Protokoll- oder Fehlerprüfung.

Die Entwicklung kann sich quasi nach links verschieben, was wir Shift Left nennen. Alfred Vollmer

Virtualisierer und Entwicklungskits für die Virtualisierung – wir nennen sie VDKs, Virtualizer Development Kits –  bieten dabei die Technologie, Modelle und Schnittstellen, um virtuelle ECUs zu etablieren. Diese müssen dann in der gesamten Lieferkette vom Halbleiter bis zum OEM zum Einsatz kommen.

Welche Rolle spielt Synopsys im Bereich virtuelle Steuergeräte?

Marc Serughetti:  Wir sind ein virtueller ECU-Systemintegrator. In dieser Rolle bieten wir Technologie- und Modellierungsdienste, aber auch Bereitstellungsmethoden, die sich auf die Optimierung der Entwicklung und des Einsatzes des virtuellen Steuergeräts entlang der automobilen Lieferkette konzentrieren. Soll zuerst die Verfügbarkeit oder Geschwindigkeit optimiert werden, wie läuft die Abstimmung der Software-Roadmap mit der Roadmap für die Entwicklung der virtuellen ECU, wie stellt man sicher, dass ein Modell so früh wie möglich mit der richtigen Genauigkeit für eine bestimmte Entwicklungsaufgabe verfügbar ist und wie lässt sie sich in eine unternehmensspezifische Regressionsumgebung integrieren? Wir ermöglichen es unseren Kunden, den Nutzen von virtuellen Steuergeräten zu optimieren und helfen ihnen, diese intern, aber auch entlang ihrer Lieferkette, also bei Lieferanten, Kunden und Entwicklungspartnern, einzusetzen.

Lässt sich die Lösung von Synopsys in allen Anwendungsbereichen der Automobilindustrie einsetzen?

Marc Serughetti:  Im Wesentlichen ja, denn die Lösung ist unabhängig von einem speziellen Anwendungsbereich. Sie lässt sich für die Bereiche Powertrain, ADAS, Gateways, Infotainment oder Komfortfunktionen einsetzen. Der größte Nutzen ergibt sich jedoch, wenn die Hardware nicht verfügbar ist, wenn die Hardwarekomplexität und der Software-Inhalt erhöht sind und wenn immer schnellere Testzyklen erforderlich sind. Aktuell kommt die Lösung von Synopsys in Anwendungen wie Bremsen, Antriebsstrang, elektronische Servolenkung, ADAS, Gateways und Infotainment-Systemen zum Einsatz.

Ap­ro­pos Anwendungen: Welche Beispiele können Sie nennen?

Marc Serughetti:  Heute wird die virtuelle ECU-Lösung von Synopsys weltweit bei führenden Tier-1s und OEMs eingesetzt – von der frühen Softwareentwicklung bis hin zum Regressionstest. Wir unterstützen die gesamte Lieferkette vom Halbleiterhersteller über Tier-1, OEM und deren Partner bei der Softwareentwicklung. Auf der Anwendungsseite etablieren wir virtuelle ECUs und kombinieren dabei Anwendungsprozessoren aus dem Mobilfunksektor mit Connectivity/IO-Prozessoren. So simulieren wir eine Infotainment-ECU und ihre Anbindung an das Fahrzeugnetzwerk. Beim ADAS simulieren wir Sicherheits-Mikrocontroller und Fusionsprozessoren, um schnell Software bereitzustellen. In traditionelleren Bereichen wie Bremsen und elektrische Servolenkung integrieren wir neue Generationen von Multicore-Mikrocontrollern in ASIC-Modelle und implementieren diese dann in automatisierte Test-Frameworks und virtuelle Hardware-in-the-Loop-Umgebungen.

Welche Unterstützung bietet Synopsys im Bereich E-Fahrzeuge?

Marc Serughetti:  Der Bereich der Elektrofahrzeuge zeigt eine schnell wachsende Entwicklung. Dazu gehören auch neue und leistungsfähigere Mikrocontroller zur Unterstützung immer größerer Software-Inhalte, aber auch die damit verbundenen Bauelemente für Batterie- und Leistungselektronik. Für Unternehmen bedeutet dies, dass sie Batteriemanagement-Systeme optimieren, mit zunehmenden Software-Inhalten umgehen sowie die funktionale Sicherheit dieser Systeme gewährleisten müssen. Design, Optimierung und Verifikation sind auf Systemebene, zum Beispiel bei der Simulation des Fahrzyklus‘ oder beim Lastausgleich, auf Steuerungsebene, also bei Drehzahlbereich und Motorwirkungsgrad, auf Seiten des Wechselrichters beziehungsweise auf Gate-Treiber-Level (Schaltverluste, Totzeitkompensation) sowie auf Softwareebene zu behandeln.

In diesem Bereich hat Synopsys eine einzigartige und vollständige Design- und Verifikationslösung entwickelt. Sie reicht von der frühzeitigen Auslegung und Optimierung von Batteriesystemen und Leistungselektronik mit unserem Produkt Saber, über die frühzeitige Software-Entwicklung mit unseren VDKs bis zur Funktions- und Sicherheitsüberprüfung des Gesamtsystems mit einer Multi-Domänen-Simulationslösung.

Das Toolpaket bietet eine mehrstufige Abstraktionsebene – abhängig von den Anforderungen einer bestimmten Entwicklungsaufgabe – und sie verkürzt mit leistungsstarken Analyse-Tests sowie Möglichkeiten zum Testen der funktionalen Sicherheit die Zeit bis zum fertigen Ergebnis. Mit einer solchen Lösung können wir ein Triple Shift Left durch die gesamte Lieferkette der Fahrzeugelektronik erreichen.

Was Synopsys unter Triple Shift Left versteht, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Was verstehen Sie unter Triple Shift Left?

Marc Serughetti:  Wie bereits erwähnt, bedeutet ein Shift-Left, also ein Schritt nach links, einen frühen Start sowie eine Beschleunigung der Verifikations- und Testzyklen. Wir nennen dies Triple Shift Left. Dies sind Schlüsselaktivitäten, die durchgeführt werden müssen, um die Entwicklung von elektronischen Fahrzeugsystemen von derzeit vier bis fünf Jahren auf zwei bis 3 Jahre zu verkürzen. Im Automobilbereich müssen wir uns jedoch dieser Herausforderung sowohl für Hard- und Software als auch beim Einsatz vom Halbleiterhersteller über den Tier-1 bis zum OEM stellen. Infolgedessen konzentriert sich die Triple Shift Left genannte dreifache Verschiebung nach links auf drei Schlüsselphasen, die mit der Verifizierung und dem Test von elektronischen Systemen im Automobil verbunden sind:

Der erste Schritt nach links erfolgt mit den Aktivitäten zur funktionalen Verifikation und zur Überprüfung der funktionalen Sicherheit bei Halbleiterunternehmen, wo Synopsys seine Plattform Verification Continuum und die Lösung zur Überprüfung der funktionalen Sicherheit (ISO 26262) liefert.

Die zweite Verschiebung nach links ist mit der Entwicklung von Halbleiter-Software mit virtuellen SoC- oder MCU-Modellen verbunden. Die erste und zweite Verschiebung nach links sind der Schlüssel, damit Halbleiterhersteller schneller an die Tier-1- und OEM-Anwender liefern können. Diese wiederum profitieren vom dritten Shift Left, denn dieser bezieht sich auf die frühzeitige Entwicklung von Automobilsoftware und Systemen mit virtuellen Steuergeräten bei Tier-1s und OEMs. Einmal eingerichtet, lassen sich diese Steuergeräte kontinuierlich verwenden, um die fortlaufende Integration und Prüfung zu beschleunigen – eine wichtige Anforderung bei Over-the-air-Updates, insbesondere bei sicherheitskritischen Systemen.

Welche generellen Veränderungen sehen Sie in der Automobilindustrie?

Marc Serughetti:  Die Automobilindustrie entwickelt sich schnell, um neue Lösungen auf den Markt zu bringen, die Emissionen reduzieren, sicheres Fahren und Komfort für das Fahrerlebnis bieten. Diese Lösungen sind stark von der Zunahme der Hard- und Software für elektronische Inhalte im Fahrzeug abhängig. Der Wettbewerbsdruck durch Neueinsteiger und neue Geschäftsmodelle, sich schnell entwickelnde Technologien aus dem Consumer-Bereich und die Notwendigkeit, sichere Systeme zu liefern, zwingt die Branche, Entwicklungs- und Kooperationsmodelle zwischen OEM, Tier-1, Halbleiterhersteller und dem Software-Ökosystem zu überdenken.

So haben wir beispielsweise eine zunehmende Zusammenarbeit zwischen OEMs und Halbleiterherstellern erlebt, während KI-Technologien Technologieunternehmen mit ins Spiel bringen, und die Softwareentwicklung erfolgt immer stärker verteilt. Infolgedessen müssen wir neue Instrumente und Prozesse etablieren und implementieren, um die Zusammenarbeit und Verantwortung beziehungsweise Verantwortlichkeit in der gesamten Lieferkette zu erleichtern. Synopsys ist gut positioniert, um diese Herausforderungen anzugehen, da wir das Chip-Design sowie die Software- und Systementwicklung beschleunigen, die funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleisten und die Sicherheit zu einer treibenden Kraft für die Automobilindus­trie machen.

(av)