Das Halbleiterparadoxon im heutigen Auto

Die Elektronikarchitektur wandelt sich von vielen, eng fokussierten Steuergeräten hin zu zonalen und domänenbasierten Konzepten mit zentralen Hochleistungsrechnern und leistungsfähigen Zonenknoten mit Edge‑AI‑Funktionalität. Statt jede Funktion – Fensterheber, Sitzverstellung, Licht, Radar, Lenkungsaktuator – mit einem eigenen Spezialchip zu versehen, kommen universell ausgelegte MCUs und SoCs zum Einsatz, die mehrere Aufgaben übernehmen und über Software konfiguriert werden. (Bild 1)

Diese Architektur folgt dem Prinzip „zentrale Intelligenz, dezentrale Rechenleistung“: Zentrale Computer übernehmen komplexe ADAS‑, Infotainment- und Fahrzeugfunktionen, während zonale Controller in den Fahrzeugbereichen als Gateway, Sensorhub und Aktorsteuerung dienen und außerdem erste „Berechnungen oder Auswertung“ übernehmen. Dadurch sinkt die Zahl der Steuergeräte und Kabelstränge, während Datenraten, Sicherheitsanforderungen und die Zahl der Softwarefunktionen deutlich steigen – eine Kombination, die ohne universell einsetzbare, aber fein konfigurierbare Halbleiter kaum beherrschbar wäre.

Für die Halbleiterstrategie bedeutet das: OEMs und Tier1s setzen auf Chipfamilien, die sich in unterschiedlichen Rollen einsetzen lassen – vom einfachen Body-Controller bis zum sicherheitskritischen Steuergerät. Maßgeschneiderte Lösungen entstehen weniger über unzählige, völlig verschiedene ASICs, sondern über skalierbare Plattformen mit Varianten in Speichergröße, Rechenleistung, Schnittstellen, Sicherheitslevel und Packaging. Solche Plattformen bilden einen durchgängigen „Silizium-Backbone“, der sich über mehrere Produktgenerationen hinweg tragen lässt und auf dem neue Fahrzeuglinien, Derivate und Sondermodelle schneller aufsetzen können.

Warum Software-First-Autos mehr Halbleiterleistung brauchen

 Mit Software-First- und Abomodellen wird das Fahrzeug dann zu einer dynamischen Funktionsplattform: Hardwarefähige Features können über die gesamte Lebensdauer hinweg per Lizenz freigeschaltet, erweitert oder angepasst werden. In der Einstiegsklasse sind daher Halbleiter nötig, die deutlich mehr Performance bieten, als initial genutzt wird – etwa für zusätzliche Komfortfunktionen, höhere Automatisierungsgrade oder neue Diagnosedienste, die erst Jahre nach Auslieferung, Entwicklung oder Produktion ausgerollt werden. Dies stellt erhebliche Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und vor allem die Zuverlässigkeit der verbauten Halbleiter. (Bild 2)

Diese Leistungsreserve darf jedoch nicht zu einer Dauerbelastung des Bordnetzes werden, insbesondere in Elektrofahrzeugen mit langen Stand‑ und Überwachungsphasen. Dauerhaft aktive Funktionen wie Umgebungssensorik, Telematik, OTA‑Konnektivität und Sicherheitsüberwachung erhöhen den Energiebedarf der Elektronik, während gleichzeitig Reichweite und Effizienz im Fokus stehen. Halbleiterplattformen müssen deshalb fortschrittliche Energiemanagementkonzepte unterstützen – von Tiefschlafmodi über dynamische Spannungs- und Frequenzanpassung bis zu intelligenter Lastverteilung innerhalb der Halbleiter z.B. zwischen Kernen aber auch mit der Peripherie.

Auch auf Systemebene sind intelligente Strategien gefragt: Etwa die Verlagerung rechenintensiver Aufgaben in kurzzeitige, klar begrenzte Aktivitätsfenster, während große Teile der Hardware die meiste Zeit in hocheffizienten Low‑Power‑Zuständen verbleiben. Ergänzend dazu gewinnen Mechanismen wie funktionale Degradierung, adaptive Qualitätsstufen für Sensorik und datengetriebene Optimierung des Energieverbrauchs an Bedeutung, um das Zusammenspiel zwischen Softwarefunktionen und Halbleiterplattformen im Feld kontinuierlich zu verbessern.

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Ein Milliardenprojekt in Dresden soll Europas Chipindustrie beflügeln: GlobalFoundries investiert 1,1 Mrd. Euro, verdoppelt die Kapazität und stärkt das Silicon Saxony als Schlüsselstandort für technologische Souveränität in Europa.

Gleichzeitig wächst der Nachhaltigkeitsdruck: OEMs erwarten, dass Halbleiterlösungen nicht nur im Betrieb effizient sind, sondern auch über hohe Ausbeute, lange Verfügbarkeit und ein robustes Zuverlässigkeitsverhalten verfügen, um Nachrüstungen, Ersatzteilvielfalt und vorzeitige Obsoleszenz zu minimieren. Universelle Plattformchips können hier einen Beitrag leisten, weil sie über höhere Volumina und längere Lebenszyklen sowohl die Fertigung effizienter machen als auch das Variantenmanagement im Feld vereinfachen.

Auch für die Halbleiterhersteller ist dieser Ansatz von Vorteil. Durch Variantenreduzierung und gleichzeitige Erhöhung der Produktionsvolumina der Plattformkomponenten sind erheblich Verbesserungen durch Skaleneffekte möglich. Die Prozesskontrolle der Herstellung basiert auf der statistischen Auswertung von Daten aus der Produktion, bei höheren Volumina sind diese Daten deutlich robuster und somit ist eine Prozesskontrolle vereinfacht. Dies führt in der Regel dazu, dass höhere Ausbeuten und eine bessere Qualität kostengünstiger und effektiver erzielt werden können.

Technologische Hebel für universelle Chipplattformen 

Um Leistung, Energieeffizienz und Skalierbarkeit in Einklang zu bringen, setzen moderne Automotive-Halbleiter-Technologien wie 22FDX zunehmend auf Lösungen, die in einem Knoten sowohl digitale Performance als auch Mixed-Signal-, HF-, mmWave, NVMs und Power-Funktionalität erlauben. FD‑SOI‑basierte Technologielösungen sind hier besonders relevant. Durch ihre Transistor-Architektur mit isolierendem Substratlayer und Body-Bias-Techniken können sie bei sehr niedrigen Spannungen hocheffizient arbeiten und die Transistoreigenschaften den jeweils benötigten Anforderungen anpassen. Im Vergleich zu konventionellem Bulk‑CMOS bieten FD‑SOI‑basierte Technologien deutliche Vorteile bei Leckströmen und dynamischem Stromverbrauch (Bild 3).

Dadurch lassen sich MCUs entwickeln, die im aktiven Betrieb hohe Performance liefern, im Standby aber mit minimalem Energiebedarf über lange Zeiträume verfügbar bleiben – ein entscheidender Aspekt für zonale Controller oder dauerhaft aktive Sensorik im Fahrzeug. Gleichzeitig ermöglichen solche Technologien die Integration von Embedded‑Speicher (z. B. eFlash, MRAM, RRAM), robusten Hochvolt-Treibern und HF‑und mmWave Blöcken für Radar oder Konnektivität auf demselben Chip, was Systemkomplexität, Bauteilzahl und Kosten reduziert.

Ein weiterer Hebel liegt in der systematischen Nutzung von Designplattformen: Wiederverwendbare IP‑Bibliotheken für CPU‑Kerne, Peripherie, Security-Blöcke, Netzwerk-Interfaces und Safety‑Mechanismen erlauben es, auf derselben Technologie gleich mehrere Bausteinfamilien für unterschiedliche Aufgaben im Fahrzeug abzuleiten. Auf diese Weise bleiben Maskenkosten und Entwicklungszeiten beherrschbar, während OEM-spezifische Differenzierung weiterhin über Konfiguration, IP‑Auswahl und Softwareumsetzung erfolgt.

Ergänzend dazu können klar definierte Automotive-Prozesstechnologien mit zugesicherten Qualitätsniveaus und durch Mission Profiles qualifizierten Temperaturbereichen sowie angepassten Lieferkettenmodellen, wie Turnkey (Wafer-Produktion plus Packaging und Test) unter anderem die Qualität, Zuverlässigkeit und Langzeitverfügbarkeit verbessern und somit das Produktrisiko bereits in frühen Projektphasen deutlich reduzieren und die Industrialisierung neuer Derivate beschleunigen.

Wie sich „maßgeschneidert“ neu definiert

In der klassischen Welt bedeutete Maßarbeit, dass für eine konkrete Funktion ein eigenständiger, stark spezialisierter Chip entwickelt wurde – mit exakt zugeschnittener Peripherie, Speichergröße und Schnittstellen. Diese Vorgehensweise skaliert jedoch nicht mehr, wenn pro Fahrzeugplattform hunderte Funktionen, steigende Sicherheitsanforderungen und verkürzte Entwicklungszyklen zusammenkommen.

Heute verlagert sich der Begriff „maßgeschneidert“ auf eine höhere Abstraktionsebene: Eine Halbleiterplattform gilt als maßgeschneidert, wenn sie eine modulare Grundarchitektur bietet, die sich über Varianten und Konfigurationen präzise an unterschiedliche OEM‑Architekturen, Fahrzeugsegmente und Funktionsumfänge anpassen lässt. Dazu gehören etwa Skalierungsoptionen bei der CPU‑Leistung, verschiedene Speicher- und I/O‑Ausbaustufen, Safety‑Konfigurationen bis ASIL‑D, differenzierte Sicherheitsfeatures sowie spezielle IP‑Blöcke für Radar, Motorsteuerung oder Leistungsverteilung.

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Maßgeschneidert heißt in diesem Verständnis, dass die Siliziumbasis über mehrere Fahrzeuggenerationen hinweg stabil bleiben kann, während OEMs Funktionen, Sicherheitskonzepte und Geschäftsmodelle primär über Software, Feature-Freischaltungen und OTA‑Updates weiterentwickeln. Halbleiterhersteller liefern keine einzelnen Sonderchips mehr, sondern einen verlässlichen, über Jahre verfügbaren Technologie- und IP‑Baukasten, der das Rückgrat der E/E‑Architektur bildet. Dadurch lässt sich auch die Komplexität in der Lieferkette verringern, weil weniger unterschiedliche Bauteiltypen gemanagt, qualifiziert und über lange Zeiträume bevorratet werden müssen. (Bild 4)

Für Tier‑1‑Zulieferer eröffnet diese Form der Maßarbeit zusätzliche Spielräume: Sie können auf einer etablierten Plattform unterschiedliche Steuergeräteportfolios entwickeln, deren Differenzierung stärker in Software, Funktionsintegration und Systemkompetenz liegt als in grundsätzlich verschiedenen Siliziumdesigns. So verschiebt sich der Wettbewerb in Richtung Systemarchitektur, Softwarequalität und Endnutzererlebnis, während die Halbleiterplattform als robuste, industriell optimierte Basis stabil bleibt.

Warum Software-defined Vehicles neue Halbleiterplattformen brauchen

Softwaredefinierte Fahrzeuge setzen voraus, dass Hardware als skalierbare, homogene Infrastruktur verstanden wird, auf der sich Funktionen wie Services bereitstellen, orchestrieren und aktualisieren lassen. Universell angelegte Chipplattformen schaffen dafür die Voraussetzung, indem sie standardisierte Rechen- und Kommunikations-Ressourcen in zonalen Controllern und zentralen Hochleistungsrechnern bereitstellen, die unabhängig von einzelnen Modellvarianten operieren.

Die Abstraktion physischer Ein- und Ausgänge in logische Services – etwa „Fensterheber vorne links“, „Frontkamera“, „Radar vorne Mitte“ – wird erst dann effizient, wenn darunter liegende MCUs und SoCs weitgehend identische Software-Schnittstellen, Security-Mechanismen und Diagnosefunktionen bieten. Dann lassen sich Feature-Updates, Funktionsbündel oder neue Abo-Angebote per OTA über große Flotten ausrollen, ohne für jede Baureihe oder jedes Steuergerät individuelle Softwarepfade pflegen zu müssen.

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Für OEMs bedeutet dies, dass die Innovationsgeschwindigkeit zunehmend von Softwareteams geprägt wird, während die Halbleiterplattform im Hintergrund Kontinuität, Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit sicherstellt. Je besser es gelingt, die Anforderungen aus Safety, Security, Echtzeitfähigkeit, Energieeffizienz und Kosten bereits in diese Plattform zu integrieren, desto reibungsloser lassen sich Software-First-Strategien realisieren – und desto leichter wird es, dass eingangs beschriebene Halbleiterparadoxon im modernen Auto aufzulösen.

Quellen:

[1] Oliver Aubel (GlobalFoundries) based on references from:

a) Matt, Alfredo, Khaldoun, Karl, Aravind, Steven “CES 2020 Electro-Mobility Wall“, ST 2020

b) Jeremie Bouchaud and Hrishikesh S, “Automotive computing: The new competitive advantage for OEMs“, S&P Global Mobility, 2025

[2] Oliver Aubel (GlobalFoundries) based on references from:

a) X. Federspiel, et al “28nm node bulk vs FDSOI reliability comparison”, Reliability Physics Symposium (IRPS), 2012 IEEE International

b) Cesana, G. (2014) The FD-SOI Technology for Very High-Speed and Energy Efficient SoCs, MPSOC Forum 2014 

c) Guenole Lallement, et al., “A 2.7 pJ/cycle 16 MHz, 0.7 µW Deep Sleep Power ARM Cortex‑M0+ Core SoC in 28 nm FD‑SOI.” IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC), 2018.