Die Software steht jetzt im Zentrum des Autos.

Die Software steht jetzt im Zentrum des Autos. (Bild: Continental)

Mit gutem Grund befindet sich die elektrische und elektronische Architektur im Auto (E/E-Architektur) in einem radikalen Umbruch: Lange Zeit hat es funktioniert, ein dediziertes Steuergerät (ECU) für jede Funktion ins Fahrzeug zu integrieren. Bei einem Netzwerk aus teilweise bis zu über 100 ECU pro Fahrzeug stößt dies aber an Grenzen. Inzwischen gibt es immer mehr software-basierte Funktionen, die nicht mehr an eine Hardware gekoppelt sind. Solche neuen Funktionen benötigen einen geeigneten Host, und sie müssen OTA (Over-the-Air) aktualisierbar sein, denn modulare Software gibt dem Auto die neue Fähigkeit zur funktionalen Evolution.

Gleichzeitig wird es durch die Trennung von Hardware und Software möglich, Funktionen in Form von Software wiederzuverwenden. Dieser Re-Use ist effizient und beschleunigt die Entwicklung. Außerdem ist auch die physische Verkabelung eines starren Netzwerks aus einer Vielzahl an ECU kaum noch zu handhaben. Für ein vernetztes Fahrzeug als Teil des IoE (Internet of Everything) ist diese E/E-Architektur ungeeignet. Es ist Zeit, die Komplexität nicht mehr auf der ECU-Ebene zu lösen, sondern sie in ein übergeordnetes System zu verlagern, wo sie sich besser beherrschen lässt – in einer neuen Architektur.

Deshalb verändern Update-fähige Fahrzeuge die gesamte Branche

Was als technische Entwicklung begann, hat einen branchenweiten Veränderungsprozess in Gang gebracht. Auf der Produktebene schafft die neue E/E-Architektur mit Dienste-orientierten Servern die Voraussetzung für das angebrochene Zeitalter der Software im Auto. Um die rasch weiterwachsende Komplexität der Funktionen und Systeme in einer neuen Architektur beherrschen zu können, werden neue Formen der Zusammenarbeit mit neuen Tools und neuen Prozessen in der Entwicklung umgesetzt. Dabei entstehen neue Wertschöpfungsmöglichkeiten, weil das Fertigungsende nicht mehr das Ende der Wertschöpfung für die OEM bedeutet. Fahrzeuge werden zu update-fähigen Systemen, die im Laufe ihrer Nutzungsdauer eine Evolution durchmachen können. Diese Transformation auf allen drei Ebenen lässt sich einfach auf den Punkt bringen: Die neue E/E Architektur verändert auch die Architektur einer ganzen Branche.

OTA und Cybersecurity sind die neuen Eckpfeiler

Der Umbruch schafft die Grundlage für ein neues Fahrerlebnis. Immer mehr gewinnt der Innenraum des Fahrzeugs mit seinen digitalen Angeboten an Einfluss darauf, wie das Auto wahrgenommen und wertgeschätzt wird. Das Fahren an sich wird zunehmend zu einer schönen Nebensache. Prägender für die Wertschätzung ist die Nutzbarkeit und das Nutzererlebnis. Da das Auto mit seinem abgeschlossenen Innenraum Idealbedingungen für eine immersive Erfahrung der digitalen Welt bietet, ist das Potenzial für die User Experience (UX) enorm. Voraussetzung dafür jedoch ist, dass ein ständiger Zugriff auf Daten und Dienste sowie stets aktuelle Funktionen gegeben sind. Dafür muss einerseits die ständige Update-Fähigkeit per OTA in der E/E-Architektur angelegt sein, andererseits muss Cybersecurity von Anfang an mit im System entwickelt werden, denn eines geht ohne das andere nicht: OTA setzt Cybersecurity voraus, und Cybersecurity gibt es nicht ohne OTA.

Die Software gibt den Ton an – Bits statt Blech

Vor allem der Software-Umfang im Fahrzeug explodiert geradezu. Schon bis zum Jahr 2025 erscheinen Größenordnungen von 750 Millionen Zeilen Code pro Fahrzeug realistisch. Der Trend zum „Software-defined Car“ erzwingt den laufenden Wechsel. Um dem Fahrer alle Möglichkeiten der digitalen Welt – vor allem die Update-Möglichkeiten samt Internet, Cloud und Apps – zu geben, folgt das Fahrzeug dem Vorbild von Smartphone und Server.

Erster Schritt: Hochleistungsrechner (HPCs) stellen die Rechen- und Speicherleistung für updatebare Features bereit. Das Ziel ist eine Dienste-orientierte Serverarchitektur, bei der die meiste Rechenleistung in wenigen Datenknoten im Auto zentralisiert ist (Bild 1). Continental hat dafür das automobile Serverkonzept High Performance Computer (HPC) entwickelt und in die Serie gebracht. Der erste Serienanlauf eines HPC (Body HPC genannt) ist als In-Car Application Server (ICAS1) für die Volkswagen-Fahrzeugmodelle ID.3 und ID.4 erfolgt. Da der Server einen zentralen Baustein für alle Fahrzeuge auf Basis des Modularen E-Antriebs-Baukastens (MEB) darstellt, wird er auch in anderen Fahrzeugen der ID-Baureihe von Volkswagen zum Einsatz kommen. Der ICAS1 deckt die früheren Gateway-Funktionen sowie umfassende Funktionen aus der Body-Control Domäne ab. Zusätzlich koordiniert er künftig OTA-Updates und Onlinedienste wie z. B. Plug-and-Charge (Lademanagement sowie Abrechnung). Im Vergleich zu einer klassischen ECU sind im ICAS1 ohne Berücksichtigung extern zugelieferter Software bereits mehr als 20 Millionen Codezeilen integriert. Entsprechend wertvoll wird Softwareentwicklung, so dass die intelligente Wiederverwendung von Software (Re-Use) wichtiger wird, als bei jedem Fahrzeugmodell neu anzusetzen.

Der Hochleistungsrechner erfüllt daher zentrale Vorgaben wie eine konsequente Hardware-Software-Trennung durch die mit Elektrobit entwickelte Basissoftware auf Basis von Autosar Adaptive, Virtualisierung (mehrere Betriebssysteme auf vier virtuellen ECUs), Sicherheit (ASIL, Non-ASIL), die Voraussetzung für neue Geschäftsmodelle und die Integration zahlreicher Software-Quellen.

Bild 2: Eine ZCU fungiert als lokaler Datenknoten.
Bild 2: Eine ZCU fungiert als lokaler Datenknoten. (Bild: Continental)

Nur noch zwei Ebenen der Datenknoten

Auch unterhalb der neuen Serverebene wird die Architektur aufgeräumt: Hier dient künftig beispielsweise die neue Steuergeräteplattform der Zonensteuergeräte (Zone Control Units, ZCU) dazu, Aufgaben und Datenflüsse zu koordinieren. Diese modulare Steuergeräteplattform bildet die mittlere Ebene der neuen E/E-Architektur zwischen dem übergeordneten HPC und den einzelnen elektronischen Komponenten wie Sensoren und Aktoren vor Ort. Als regionaler Datenknoten und neues „Arbeitspferd“ bündelt je eine ZCU alle elektronischen und elektrischen Verbindungen in einem lokalen Teilbereich des Fahrzeugs (Bild 2). So sind ZCU beispielsweise für alle Ansteuerungs-, Dienste- und Datenmanagement-Aufgaben im Bereich der Fahrertür oder im Fahrzeugheck zuständig. Damit optimieren sich Datenstrecken zwischen ZCU und den Elektronik-Komponenten an der Basis. Die wenigen ZCU sind jeweils durch eine leistungsfähige Ethernet-Strecke mit dem zuständigen HPC verbunden. Anstelle einer Vielzahl vernetzter ECU, entsteht so eine vereinfachte Architektur mit zukunftstauglichen Fähigkeiten, die als Nebeneffekt noch Gewicht und damit CO2 einspart.

Bild 3: Trend in der Zentralisierung und Standardisierung von Datenknoten/Hardware.
Bild 3: Trend in der Zentralisierung und Standardisierung von Datenknoten/Hardware. (Bild: Continental)

Domänenübergreifende HPC – auf dem Weg zur Standardisierung

In einem zweiten Schritt folgen domänenübergreifende HPC. Die Vorbereitungen für solche Projekte laufen. Der jetzt begonnene Weg zur Zentralisierung von Rechenleistung ist ein erster Schritt. Auf längere Sicht betrachtet, wird es mit hoher Wahrscheinlichkeit eine noch stärkere Konzentration von Datenknoten geben (Bild 3). Auch der Trend zu einer immer stärkeren Standardisierung wird sich nicht aufhalten lassen, denn es ist zunehmend die Software, die den Unterschied macht. Leistungsfähige Hardware bleibt natürlich wichtig, wird auf lange Sicht aber wohl austauschbar sein.

Die neuen HPC und noch stärker domänenübergreifende oder gar standardisierte Server richten sich nämlich nach den Anforderungen der Software – statt umgekehrt. Was der Fahrer als entscheidend erlebt, wird von der Software beeinflusst. Sie bestimmt, was der Mensch mit dem Auto machen kann, während er fährt oder sich fahren lässt. Automatisiertes Fahren, Elektrifizierung, Car- und Ride-Sharing – alles setzt Digitalisierung, umfangreiche Software, hohe Rechenleistungen, Aktualisierungsfähigkeiten und permanente Online-Verbindungen voraus. Diese steigende Komplexität lässt sich mit einer Serverarchitektur, mit aktualisierbaren und nachflashbaren „Apps“ beherrschen – und zwar inklusive der Fähigkeit, neue Funktionen zu hosten und ein Fahrzeug aktuell zu halten (Bilder 4 und 5).

Bild 4: Vertikale Update-Fähigkeit ist ein Merkmal der neuen E/E-Architektur.
Bild 4: Vertikale Update-Fähigkeit ist ein Merkmal der neuen E/E-Architektur. (Bild: Continental)

Mit der Technologie verändern sich Prozesse

Die konsequente Trennung von Hardware und Software und die explodierenden Software-Umfänge sind wesentlich mehr als ein Technologiewechsel. Software wird zu einem wiederverwertbaren Produkt, das dank standardisierter Schnittstellen und Modularität einen Re-Use ermöglicht. Sobald aus dem Auto ein fahrendes Rechenzentrum wird, für das sich ein ganzes Ökosystem aus Software, App-Schmieden und neuen Funktionen entwickelt, sind andere Strukturen gefordert – unter anderem in der Zusammenarbeit. Eine Funktion ist eben kein festes Gesamtkunstwerk aus ECU und Software mehr, sondern Teil eines gesamten Ökosystems. Während es früher Standard war, jede ECU im Hinblick auf ihre Rechen- und Speicherkapazität und ihre Infrastruktur grundsätzlich auf das Nötigste zu beschränken, bieten HPC die Möglichkeit, zusätzliche Funktionen aus unterschiedlichen Quellen (neue Software-Anbieter, Open-Source) OTA zu installieren. Ist ein Leistungspuffer im HPC vorgesehen, so ist er auf Jahre hinaus zukunftssicher und erlaubt auch die nachträgliche Realisierung neuer daten- und dienste-gestützter Geschäftsmodelle (Feature Upgrades, neue Funktionen).

Transformation der Prozessebene

Dazu muss aber die Prozessebene in der Entwicklung transformiert werden. Eine neue Dimension der (offenen) Zusammenarbeit muss unterstützt werden. Auch für das Auto entstehen Entwickler-Gemeinschaften sowie neue Anbieter mit neuen Ideen. Alle Beteiligten benötigen neue Prozesse und Tools, um die wachsende Komplexität technisch und wirtschaftlich zu beherrschen. Zunehmende Standardisierung, offene Plattformen, offene Schnittstellen, sichere Entwicklungsportale, agile Methoden, gemeinsame Arbeitsstandards und Werkzeuge sind die Basis für die weltweite Zusammenarbeit von Hunderten von Experten, die zeitgleich an riesigen Systemen arbeiten.

So wie im Fahrzeug durch die Vernetzung Domänengrenzen verschwimmen, so schwinden Firmengrenzen bei Großprojekten für HPC und Software. Bei der Entwicklung des Body HPC für Volkswagen beispielsweise waren tatsächlich viele hundert interne Softwareentwickler und insgesamt 19 Partner im Boot. Um in einem solchen Netzwerk eine kleinteilige Arbeit wie die Softwareentwicklung schnell und wirtschaftlich zu ermöglichen, spielen leistungsfähige Tools, etwa zur Versionierung und zum automatischen Testen, sowie Metriken eine absolute Schlüsselrolle. „Händisch“ geht gar nichts mehr – man muss sich auf gemeinsame Tools und neue Prozesse festlegen. So wird aus einem Tier-1 nicht nur ein Systemintegrator, sondern der Integrator eines komplexen Ökosystems, das sich jeweils projektspezifisch zusammenfindet und anschließend wieder auflöst, um in einer neuen Konstellation mit verändertem Partner-Mix das nächste Großprojekt zu bewältigen. Für diese neue Form der Zusammenarbeit hat sich das Continental Cooperation Portal CCP für eine hochgradig verteilte Entwicklung bewährt.

Das Datum des Autokaufs markiert künftig einen Anfang

Somit wird nicht nur die E/E-Architektur revolutioniert. Vielmehr stellt sich die ganze Branche neu auf, um diese Revolution treiben zu können, statt von ihr getrieben zu werden. Mit der Digitalisierung und Vernetzung verliert auch der Zeitpunkt des Fahrzeugkaufs seinen Charakter als Endpunkt für den OEM und den Tier-1. Bisher blieb nach dem Kauf nur der Wertschöpfungsstrom durch Service und Reparatur in den Werkstätten sowie ein bunter Markt an Autozubehör aller Art. Wesentliche qualitative Veränderungen sind und waren am Fahrzeug bisher nicht möglich. Sobald ein Auto bislang vom Band gerollt ist, alterte es nur noch. Genau das ändert sich mit einer OTA-update-fähigen Architektur und Cybersecurity. Künftig „lebt“ das Auto, künftig „leben“ seine Systeme. Künftig wird es möglich sein, Fahrzeuge nachzurüsten, zu modernisieren und auch neue Funktionen hinzuzufügen. Damit bleibt die Fahrzeug-Software immer aktuell oder kann sogar moderner sein als sie zum Zeitpunkt der Fertigung war. Das Geschäftsmodell für alle Beteiligten wandelt sich, weil damit lebenslange Dienste und Verbesserungen möglich sind. Die Software nimmt viel sichtbarer den Rang als das entscheidende Produkt ein.

Rechenleistung vorhalten wird Trumpf

Aus dem Fahrzeugkäufer wird ein langfristiger Kunde, der selbst in der Lage ist, sein Fahrzeug an die eigenen, sich wandelnden Erfordernisse anzupassen. Dabei kann es um wenig sichtbare Updates gehen, mit denen etwa veränderte normative Rahmenbedingungen im Fahrzeug neu hinterlegt werden, aber das Fahrzeug kann durch grundlegend neue Funktionen auch qualitativ hinzugewinnen. So nimmt die Individualisierung des Fahrzeugs eine neue Dimension an, wenn ein Autobesitzer immer wieder neue Apps installieren kann. Für die gesamte Industrie bedeutet das eine Umstellung in der Herangehensweise, denn bei der Dimensionierung von Rechenleistung und Speicherplatz nur auf Kosten und Anforderungen der jeweils aktuellen Software zu achten, birgt das Risiko, die Chancen der neuen E/E-Architektur zu verschenken. Dabei ermöglicht es die Zentralisierung, auf die Replikation einzelner Bestandteile einer Embedded-Infrastruktur in die ECU zu verzichten. (av)

Autor: Helmut Matschi

Helmut Matschi Continental-Vorstand und Leiter des Geschäftsbereichs Vehicle Networking and Information
(Bild: Continental)

Helmut Matschi ist Mitglied des Vorstands der Continental AG und Leiter des Geschäftsbereichs Vehicle Networking and Information.

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