Standards setzen neue Maßstäbe für Speichersysteme im Fahrzeug

Die funktionale Sicherheit im Automobilbereich existiert schon lange vor dem Aufkommen autonomer und software-definierter Fahrzeuge (SDVS). Da Fahrzeuge aller Art immer digitaler werden, treiben immer fortschrittlichere Funktionen den Bedarf an mehr Speicher und Speicherplatz an, der strenge Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen erfüllen muss.

Diese Anforderungen sind wesentliche Überlegungen für Entwickler von Fahrzeugsystemen, da Halbleiterkomponenten immer mehr Verbreitung finden; sie müssen sich an architektonische Veränderungen innerhalb von Fahrzeugsystemen anpassen, mehr Funktionalität bieten und gleichzeitig funktionale Sicherheit, Zuverlässigkeit und Sicherheit berücksichtigen – Speicher und Speichermedien, die in missionskritischen Anwendungen eingesetzt werden, dürfen nicht ausfallen. 

Warum SDVs mehr Speicher benötigen

Die Entwicklung der Automobilelektronik wird zunehmend von SDVs vorangetrieben, zu denen mittlerweile fortschrittlichere Infotainmentsysteme, Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Antriebssysteme für Elektrofahrzeuge (EV) und Over-the-Air-Funktionen (OTA) gehören. Vehicle-to-Everything-Funktionen (V2X) ermöglichen es, die Fahrzeugsoftware über Nacht zu aktualisieren und detailliertere, aktuelle Navigationsinformationen herunterzuladen. Außerdem können Daten aus dem Fahrzeug erfasst werden, um ein bestimmtes Problem zu diagnostizieren oder Systemleistungsdaten über einen längeren Zeitraum zu sammeln.

Micron-Ford-Vereinbarung sichert Speicher

Micron und Ford haben eine langfristige Vereinbarung zur Lieferung von Speicher- und Storage-Lösungen geschlossen. Ziel ist eine planbarere Versorgung für künftige Fahrzeugprogramme.

Architektonisch verfolgen SDVs einen stärker „zonenorientierten“ Ansatz, bei dem Funktionen gruppiert und Rechenleistungen zentralisiert werden, selbst wenn immer mehr Daten von Sensoren und nahegelegenen Netzwerken erfasst werden. Das wachsende Datenaufkommen in Verbindung mit neuen Funktionen und Diensten hat zu einer zunehmenden Verbreitung von elektronischen Steuergeräten (ECUs) geführt, die durch komplexe Netzwerke miteinander verbunden sind.

Der Übergang zu einer zonalen Architektur macht das Fahrzeug programmierbarer, doch diese Programmierbarkeit mittels Software erfordert mehr Hardware. Mehr Rechenleistung bedeutet einen höheren Halbleiteranteil, auch wenn die Anzahl der Steuergeräte und anderer Recheneinheiten konsolidiert wird.

Abgesehen davon, dass dies zu einer stärker zentralisierten Datenspeicherung und steigenden Anforderungen an die interne Konnektivität führt, unterstreichen SDVs die Notwendigkeit von funktionaler Sicherheit, Zuverlässigkeit und Cybersicherheit.

Funktionale Sicherheit und Cybersicherheit überschneiden sich

Funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit sind seit langem untrennbar miteinander verbunden, doch mit dem Aufkommen von V2X-Fähigkeiten gilt dies nun auch für die Cybersicherheit.

Böswillige Akteure können ein vernetztes Auto angreifen, da jedes Fahrzeug potenzielle Zugangspunkte aufweist. Jedes Netzwerk-, Speicher- und Speichergerät stellt eine Angriffsfläche dar, und V2X-Funktionen bringen einzigartige Sicherheitsherausforderungen mit sich. Ein Fahrzeugnetzwerk besteht aus heterogenen Knoten, unterschiedlichen Geschwindigkeiten und unterbrochenen Verbindungen, und herkömmliche Sicherheitsmethoden sind nicht immer ausreichend.

Da Cybersicherheit Hand in Hand mit funktionaler Sicherheit geht, gibt es viele alltägliche Möglichkeiten, wie ein SDV angreifbar sein kann. Der Einsatz von Open-Source-Software in der Automobilindustrie kann es Hackern ermöglichen, gemeinsamen Systemcode auszunutzen, der auf mehrere Fahrzeugmodelle abzielt.

Wie in der gesamten IT-Branche ist Software jedoch nicht der einzige Angriffsvektor für Angreifer, die in einem modernen Fahrzeug Chaos anrichten wollen. Zunehmend ist auch die Hardware ein Ziel für Manipulationen und muss von Grund auf sicher sein, um effektiv zur allgemeinen funktionalen Sicherheit beizutragen. Deshalb müssen Entwickler Cybersicherheitsstandards ebenso berücksichtigen wie diejenigen, die die funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit regeln.

Die Digitalisierung erhöht die Sicherheitsanforderungen

Da Fahrzeuge zunehmend digitalisiert wurden und immer stärker auf Elektronik angewiesen sind, wurden wichtige Standards für die funktionale Sicherheit im Automobilbereich eingeführt. Das Aufkommen autonomer Fahrzeuge und das Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge haben eine Weiterentwicklung und Erweiterung dieser Standards erforderlich gemacht.

Funktionale Sicherheit beginnt bereits in der Entwicklungsphase und umfasst Produktspezifikationen, die Umsetzung in der Produktion, Integration, Verifizierung, Validierung und die endgültige Freigabe. Ein entscheidendes Element jedes Programms zur funktionalen Sicherheit im Automobilbereich ist die Risikobewertung, einschließlich potenzieller Gefahren und Gefahrenszenarien.

In der Regel führt ein Automobilhersteller eine Gefahrenanalyse und Risikobewertung (HARA) für alle Fahrzeugfunktionen durch, um den erforderlichen Risikominderungsgrad für jede identifizierte potenzielle Gefahr zu bestimmen, einschließlich der Wahrscheinlichkeit und Dauer einer Gefahr in bestimmten Fahrszenarien sowie der möglichen Folgen im Falle einer Fehlfunktion oder eines Ausfalls.

HARAs gehen nicht bis auf die Komponentenebene, aber da Halbleiter zu zentralen Bausteinen moderner Fahrzeuge geworden sind, müssen Speicher- und Speichergeräte für den Einsatz im Automobilbereich geeignet sein – sie müssen rauen Umgebungsbedingungen von Hitze bis Kälte sowie Vibrationen standhalten.

Mehr Rechenleistung für die Ära softwaredefinierter Fahrzeuge

Softwaredefinierte Fahrzeuge erhöhen den Bedarf an zentraler Rechenleistung erheblich. Skalierbare Plattformen mit Chiplet-Erweiterung und offenen Toolchains schaffen die Grundlage, um Leistung, Softwarekontinuität und lange Automotive-Lebenszyklen zusammenzuführen.

Die Halbleiterindustrie verfügt über eigene Sicherheitsstandards, die bereits vor der Anwendung anderer, ausdrücklich auf den Automobilbereich bezogener Standards befolgt werden müssen. Dies geschieht im Rahmen eines Konzepts namens „Safety Element Out Of Context“ (SEooC), bei dem es sich um einen Bottom-up-Ansatz zur Entwicklung von Software-, Hardware- oder Systemelementen handelt – dieser Ansatz kann sich über verschiedene Komponenten und Fahrzeuge erstrecken.

Darüber hinaus wird eine systematische Analysetechnik namens „Failure Modes, Effects, and Diagnostic Analysis“ (FMEDA) eingesetzt, um Ausfallraten, Ausfallmodi und Diagnosefähigkeiten auf Subsystem- bzw. Geräteebene zu ermitteln. FMEDA untersucht alle Designkomponenten, einschließlich ihrer Funktionalität, der Ausfall r Ausfallmodi jedes Elements, der Auswirkungen eines Komponentenausfalls auf die Gerätefunktionalität sowie der Fähigkeit automatischer Diagnosesysteme, den Ausfall zu erkennen. Die FMEDA-Methode kann Ausfallraten pro definiertem Ausfallmodus vorhersagen, was zur Feststellung der Konformität mit den funktionalen Sicherheitsstandards für die Automobilindustrie genutzt werden kann.

Welche Standards für Automotive-Speicher relevant sind

Mehrere Normen regeln die funktionale Sicherheit im Automobilbereich, die sich sowohl auf Software als auch auf Hardware beziehen. Von zentraler Bedeutung ist dabei die Norm ISO 26262, die Richtlinien zur Minimierung des Unfallrisikos und zur Gewährleistung enthält, dass Automobilkomponenten ihre beabsichtigten Funktionen korrekt und zum richtigen Zeitpunkt ausführen. Die ISO 26262 legt auch die Einstufungen des Automotive Safety Integrity Level (ASIL) fest, die von „A“ für geringes Risiko bis „D“ für hohes Risiko reichen – ein Ausfall des Lenksteuerungssystems während der Fahrt gilt als hohes Risiko. ASIL-Einstufungen gewinnen zunehmend an Bedeutung, je autonomer Fahrzeuge werden – die Einhaltung von ASIL-D ist für die Unterstützung von Autonomie der Stufe 5 unerlässlich.

Weitere für die funktionale Sicherheit relevante Normen sind die AEC-Q100-Norm, die die Sicherheit elektronischer Bauteile durch den Fokus auf Zuverlässigkeit gewährleistet, einschließlich Belastungstests für integrierte Schaltkreise in Automobilanwendungen.

Da ISO 26262 systematische Fehler wie Softwarefehler nicht berücksichtigt, hat sich Automotive SPICE (ASPICE) als aktueller Standard für Best Practices in der Automobilsoftware etabliert. Allerdings ist dieser Standard noch nicht weltweit eingeführt. Software Process Improvement and Capability Determination (auch bekannt als ISO/IEC 15504 oder SPICE) ist ein Rahmenwerk zur Bewertung von Softwareprozessen, das entwickelt wurde, um Entwicklungsfaktoren zu bewerten, anhand derer Gutachter die Fähigkeit einer Organisation zur effektiven und zuverlässigen Bereitstellung von Softwareprodukten bestimmen können.

ASPICE wendet dieses Rahmenwerk auf die Automobilindustrie an und definiert Best Practices für eingebettete Software in der Automobilentwicklung. Es unterscheidet sich von Normen zur funktionalen Sicherheit wie ISO 26262 dadurch, dass es regelt, wie die Entwicklung durchgeführt wird, wenn Sicherheitsaspekte nicht berücksichtigt werden. Automobilentwickler sollten die Richtlinien von ASPICE und ISO 26262 einbeziehen, um wirksame Sicherheitsmaßnahmen zu gewährleisten.

Die Einführung von ISO/SAE 21434 spiegelt unterdessen den wachsenden Bedarf wider, Fahrzeuge zu entwickeln, die vor Cybersicherheitsbedrohungen geschützt sind. Sie kann Hardware wie ein Automotive System-on-Chip (SoC), Software oder das zur Entwicklung eines modernen Fahrzeugs verwendete Design-Tool abdecken.

Das Halbleiterparadoxon im heutigen Auto

Heutige Fahrzeuge benötigen Halbleiter, die sich über verschiedene Funktionen und Architekturen hinweg einsetzen lassen und zugleich eine präzise Anpassung an OEM-spezifische Anforderungen ermöglichen. Modulare Plattformkonzepte schaffen dafür die technologische Grundlage.

Da NAND-Flash zum Arbeitstier für Automobilanwendungen geworden ist und in vielen Formen auftritt, muss es bei der Verwendung für missionskritische Anwendungen äußerst zuverlässig sein. Das bedeutet, dass es auch Normen wie AEC-Q100 entsprechen muss, damit es extremen Umgebungsbedingungen standhält und Daten auch im Falle eines plötzlichen Ausfalls, den eine Kollision verursachen könnte, beibehält.

Angesichts der Vernetzung von SDVs müssen NAND-Bausteine für den Automobilbereich zudem von Natur aus sicher sein, da jede Manipulation die Sicherheit beeinträchtigen kann. Aus diesem Grund wird eine vollständige Festplattenverschlüsselung nach AES-256-Bit für die sichere Speicherung und Over-the-Air-Updates implementiert.

Bessere Leistung und Zuverlässigkeit von NAND-Flash-Speichern

Die Funktionalität, Sicherheit, Zuverlässigkeit und Schutzfähigkeit von NAND-Flash-Bausteinen in Automobilanwendungen hängen von vielen Systemkomponenten ab, darunter auch von den Controllern.

Die Controller von Silicon Motion in Automobilqualität entsprechen mehreren internationalen Standards für funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit, darunter AEC-Q100, IATF 16949, ISO 26262 und ASPICE. Die Einhaltung dieser Standards spiegelt wider, dass Entwickler Infotainment-Systeme für vollständig vernetzte, datengesteuerte und intuitive Fahrerlebnisse entwickeln –  immersives Infotainment und ADAS, unterstützt durch V2X-Fähigkeiten, sind auf robuste, leistungsstarke Datenspeicher angewiesen.

Die eMMC-, UFS- und SSD-Controller in Automobilqualität verfügen über viele der gleichen Funktionen wie Controller für andere Anwendungen, unterstützen jedoch gleichzeitig einen erweiterten Temperaturbereich, weisen eine niedrige Fehlerrate (Defected Parts Per Million, DPPM) auf und sind unter Berücksichtigung der ASPICE-Standardkonformität konzipiert.

Die Controller durchlaufen strenge Tests, einschließlich der Konformität mit den Zertifizierungen AEC-Q100 Grade 2/3, ISO 26262, ISO 21434 und IATF 16949. Der neueste SSD-Controller, der SM2264XT-AT, ist der erste seiner Art, der speziell für Automobilanwendungen entwickelt wurde und Single Root I/O Virtualisation (SR-IOV) unterstützt. Dank der integrierten SR-IOV-Funktion eignet sich der SM2264XT-AT gut für zukünftige Fahrzeuge, die eine Implementierung innerhalb einer zentralisierten Architektur erfordern.

GlobalFoundries bringt eMRAM für Automotive-SoCs

GlobalFoundries stellt eine Auto-Grade-1-fähige eMRAM-Technologie auf seiner FDX-Plattform vor. Die Lösung bietet hohe Schreibzyklen, kurze Zugriffszeiten und ist für Temperaturen bis 150 °C qualifiziert.

Der SM2264XT-AT unterstützt zudem bis zu acht virtuelle Funktionen und entlastet die CPU erheblich, indem er mehrere virtuelle Maschinen, die gleichzeitig auf die SSD zugreifen, effizient verwaltet. Diese Funktion ist für software-definierte Fahrzeuge von entscheidender Bedeutung, bei denen die Reduzierung der Latenz und die Gewährleistung schneller Reaktionszeiten für verschiedene Anwendungen oberste Priorität haben.

Wie alle Produkte von Silicon Motion für den Automobilbereich durchläuft auch der SM2264XT-AT strenge Tests und erfüllt verschiedene Automobilprozesse und Zertifizierungen, darunter AEC-Q100, die Zertifizierung nach ISO 26262 ASIL-B, die IATF 16949-Zertifizierung für die Einhaltung der Lieferkettenanforderungen sowie ASPICE CL3.

Da vernetzte Fahrzeuge mit V2X-Fähigkeiten, die Onboard-Intelligenz und volle Autonomie unterstützen, immer komplexer werden, werden die Anforderungen an Speicher und Speicherkapazität weiter steigen. Das bedeutet, dass Entwickler Lösungen benötigen, darunter Speicher und Controller, die unter Berücksichtigung der funktionalen Sicherheit entwickelt wurden. (na)

Der Beitrag beruht auf Material von Silicon Motion.