Die Rolle von präziser Taktgebung im SDV

Softwaredefinierte Fahrzeuge (SDVs) bieten eine wahre Flut von Möglichkeiten, da ständig neue potenzielle Anwendungen und Funktionen für sie entwickelt werden. Wir haben aktuell eine enorme Auswahl von Optionen verfügbar, um das Fahrerlebnis sicherer, angenehmer und enger vernetzt zu machen.

Es gibt einen Schlüsselfaktor, der das Benutzererlebnis von SDVs unterstützt und Konsistenz und Zuverlässigkeit für die vielfältigen Aspekten der aktuellen „Rechenzentren auf Rädern“ gewährleistet. Dies ist präzise Taktgebung. Ein typisches Fahrzeug enthält bereits 70-100 Zeitgeber. Diese Anzahl wird wahrscheinlich zunehmen – angetrieben von Trends wie Elektrifizierung und Fahrtautomatisierung.

In diesem Artikel betrachten wir, wie die Anpassungsfähigkeit und Programmierbarkeit der neuesten Timing-Technologien dazu beitragen können, Herausforderungen zu bewältigen.

Wie verbessert Synchronisierung die Fahrzeugsicherheit?

Vier Megatrends haben ineinandergegriffen, um die Automobiltechnik neu zu definieren. Dies sind Elektrifizierung, Fahrtautomatisierung, gemeinsam genutzte Mobilität und aktive Sicherheit. Das Resultat dieser Entwicklungen ist, dass Hochleistungselektronik heute in jedem Fahrzeugteil zu finden ist.

Bordnetzwerke übertragen eine beispiellose Menge an Informationen mit hoher Geschwindigkeit. Automatisierte Fahrzeuge können mehr als 20 TByte an Daten pro Stunde generieren. Die Systemkomplexität steigt, da moderne Designs Hunderte vernetzter Steuergeräte, Kameras, Radargeräte und Lidars umfassen. Architekturen werden zunehmend zentralisiert, da SDVs ihre Funktionen in einem leistungsstarken Computer-Hub zusammenführen.

Testen im SDV mit KI, Datenstrategie und digitalem Zwilling

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Dr. Ulrich Keil

Welche Vorteile bieten MEMS-Taktgeber im Fahrzeug?

Alle diese Eigenschaften erfordern eine engere Synchronisierung, so dass präzise Taktgebung in vielen Fällen zu einem wichtigen Faktor für den sicheren und effizienten Betrieb wird. Die Silizium-MEMS-Technologie, die herkömmliche Quarzoszillatoren ersetzt, hat mit einem einzelnen Taktchip, der verschiedene Komponenten synchronisiert, den Weg für anspruchsvollere Funktionen im SDV-Design geebnet. Ein MEMS-Chip integriert die End-to-End-Überwachung der verschiedenen Funktionsblöcke des Taktgebers und warnt das System bei Störungen. Die durchgängige Überwachung, kombiniert mit einer niedrigeren Ausfallrate im Vergleich zu Quarz, bedeutet, dass die Synchronisierung von präziser Taktgebung mit Sicherheit und Effizienz zwei der wichtigsten Anforderungen an SDVs abdeckt. Mit anderen Worten: Präzise Taktgebung ist für SDVs „erfolgskritisch“ geworden. 

Millisekunden machen den Unterschied

Präzise Taktgebung ist in Szenarien unverzichtbar, in denen Millisekunden den Unterschied in Bezug auf Sicherheit und die Vermeidung von Systemausfällen ausmachen können.

Eine Notbremsung mit erweiterten Fahrerassistenzsystemen (ADAS) ist ein typisches Beispiel. Ein nach vorn gerichtetes Radar erkennt ein Hindernis, bevor es vom Bildverarbeitungssystem klassifiziert wird und die Fahrtsteuereinheit entscheidet, die Bremsen zu betätigen. Ohne präzise Synchronisierung kann selbst eine leichte Fehlausrichtung die Genauigkeit der Sensorzusammenarbeit beeinträchtigen und den Bremsbefehl verzögern.

Instabilität bei der Zeitgebung zieht eine Spirale negativer Auswirkungen auf die Sicherheit von SDVs nach sich. Sie kann die Hochgeschwindigkeits-Ethernet- oder PCIe-Datenübertragung stören, Jitter verursachen, der die Kamera-, Radar- oder Lidar-Leistung beeinträchtigt, und zu Ausfällen in der V2X- oder 5G-Kommunikation führen, die das Situationsbewusstsein beschränken.

Die End-to-End-Überwachungsfunktion, die in einem einzelnen MEMS-Taktchip residiert, ermöglicht die frühzeitige Erkennung von Ausfällen im Taktbaum und reagiert schnell, um das System wieder in einen sicheren Zustand zu versetzen. Ohne diese Möglichkeit, einen Fehler innerhalb von Mikrosekunden zu melden, würden Hunderte von Millisekunden vergehen, bevor der Fehler (möglicherweise zu spät) in einem nachgelagerten Bereich erkannt und verarbeitet wird. Mit der Überwachungsfunktion in den neuesten MEMS-Taktchips befindet sich das System dagegen nie länger als unbedingt erforderlich in einem unsicheren Zustand.

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Raue Umgebung von Timing-Systemen

Quarzkristall-Oszillatoren haben seit langer Zeit das Herzstück der Automobilelektronik gebildet. Da Systeme heute jedoch komplexer und anspruchsvoller geworden sind, wirken die Beschränkungen von Quarzsystemen in Bezug auf Größe, Belastbarkeit und Temperaturstabilität limitierend.

Timing-Systeme in SDVs müssen bei Temperaturen zwischen -40 °C im Winter und über 125 °C im Sommer zuverlässig funktionieren, sie müssen ständigen Vibrationen und Stößen durch mechanische Systeme und unwegsame Straßen widerstehen und sie müssen elektromagnetischen Störungen gegenüber beständig sein, die von elektrischen Antriebssträngen, Ladesystemen und immer dichterer Elektronik verursacht werden. Modelle für gemeinsam genutzte Mobilität sorgen für noch weitere Belastungen, da Fahrzeuge täglich länger im Einsatz bleiben, was zu vermehrten thermischen Zyklen und höherem Komponentenverschleiß führt.

Silizium-MEMS-Taktgeber bieten weitaus höhere Vibrations- und Stoßfestigkeit. Sie sind vibrationsunempfindlich und können Stößen von bis zu 20.000 g standhalten, was sie in Bezug auf Vibrationen und Stöße bis zu 100 Mal effektiver als Quarz macht. Dank ihrer hohen EMI-Störfestigkeit sind MEMS-Chips ideal für Elektrofahrzeuge geeignet und sie bieten sub-ppm-Stabilität über den gesamten Temperaturbereich für Automobile. Was die Größe betrifft, so ermöglicht die Miniaturisierung von MEMS-Geräten (mit Resonatoren, die eine 1000 Mal geringere Masse als Quarz haben) die Verwendung in dicht gepackten Sensormodulen für einen kompakteren Formfaktor und höhere Belastbarkeit.

Ein „Rechenzentrum auf Rädern“ bewegen

In der Vergangenheit wurden Fahrzeuge mit domänenbasierten Architekturen entwickelt, die jeweils eine eigene für eine bestimmte Funktion optimierte Steuereinheit hatte, wie z. B. Bremsen, Infotainment, Navigation oder Motorsteuerung. Software wurde geschrieben, um sich der Hardware anzupassen, während das SDV-Modell diesen Ansatz auf den Kopf stellt. Früher entwarf man Hardware und optimierte Software dann für diese Hardware, während im SDV-Zeitalter das Gegenteil der Fall ist.

Software-definierte Architekturen im Nutzfahrzeug

Die Nutzfahrzeugbranche steht vor einem Paradigmenwechsel: Klassische E/E-Architekturen bremsen Innovationen aus. Software-definierte Fahrzeuge ermöglichen nicht nur effiziente Logistikketten, sondern verbessern den Betrieb durch flexible Updates und Datenvernetzung.

Diese Veränderung ist tiefgreifend. Anstatt die Funktionalität Steuereinheit um Steuereinheit zu erweitern, verlassen sich SDVs auf eine zentrale Rechnerplattform, die viele verschiedene Anwendungen hostet. Der Vorteil liegt in der Skalierbarkeit und Effizienz, aber die Komplexität der Entwicklung von sicheren und leistungsstarken Systemen steigt dadurch dramatisch an.

Präzise Taktgebung ist eine Lösung für diese Schwachstelle. Unterschiedliche Systeme müssen innerhalb von SDVs miteinander kommunizieren, bevor diese Kommunikation für die Infrastruktur außerhalb des Fahrzeugs aggregiert wird. Und um alle diese Daten zu synchronisieren, ist ein zuverlässiges Timing-Signal unverzichtbar. Präzise Taktgebung in physischen Schichten sorgt dafür, dass Datenflüsse nicht ihre Kohärenz verlieren, was nicht nur die Leistung, sondern auch die Sicherheit beeinträchtigen würde. Sicherheitskritische Systeme in dieser softwarezentrierten Architektur, wie z. B. das Antiblockiersystem, profitieren von schnelleren Reaktionszeiten, die von der ausfallsicheren Technologie in Produkten wie den SiTime Chorus Automotive-Taktgebern möglich gemacht werden, die einen MEMS-Resonator, einen Oszillator und aktuelle Sicherheitsmechanismen in einem einzigen Paket kombinieren.

Präzise Taktgebung unterstützt Entwickler durch Skalierbarkeit über mehrere Fahrzeugplattformen und ADAS-Ebenen hinweg sowie durch Interoperabilität, angesichts eines Mangels an vollständig standardisierten Zeitprotokollen.

Eine Zukunft, die auf Präzision basiert

Bei der Entwicklung besserer SDVs geht es nicht nur um schnellere Prozessoren, intelligentere Algorithmen oder bessere Sensoren. Es ist genauso wichtig, sicherzustellen, dass jedes dieser Systeme die perfekte Zeitgebung verfügbar hat. Präzise Taktgebung ist die stille Grundlage für Sicherheit, Zuverlässigkeit und Leistung in den vernetzten und automatisierten Fahrzeugen von morgen.

Da sich die SDV-Entwicklung zunehmend auf vollständig autonome Fahrzeuge konzentriert, steht die Branche vor der doppelten Herausforderung steigender Komplexität und kompromissloser Sicherheitsstandards. In dieser softwareorientierten Zukunft, in der Millisekunden wichtiger denn je sind, wird das MEMS-basierte Silizium-Timing zum Herzschlag der Automobilindustrie werden. (bs)