Virtual Prototyping in der automobilen Lieferkette

Herr Serughetti, wie läuft Ihr Automotive-Geschäft?

Marc Serughetti: Unser Automotive-Geschäft wächst signifikant. Wir bedienen die gesamte Lieferkette von den Halbleiterfirmen über die Tier-1s bis zu den OEMs. Wir bieten eine breite Palette von Lösungen und Werkzeugen an – von der Hardware-Entwicklung und -Implementation bis zu Simulation und Testen von Software.

Marc Serughetti: „Von den Top-15 der Automotive-Tier-1s beliefert Synopsys 80 %. Bei den Top-10 der OEMs sind es 90 %, und hinzu kommen praktisch alle Halbleiterfirmen.“Alfred Vollmer

Wo liegen die Hauptanwendungen von Synopsys im Automotive-Bereich?

Marc Serughetti: Von den Top-15 der Automotive-Tier-1s beliefert Synopsys 80 %. Bei den Top-10 der OEMs sind es 90 %, und hinzu kommen praktisch alle Halbleiterfirmen. Für Halbleiterunternehmen liefern wir EDA-Tools, Hardware-IP wie beispielsweise Ethernet-AVB, USB, Sensor- und Steuerungs-Subsyseme, aber auch Prozessor-IP-Cores für Designs, die ISO26262-konform sein sollen, und Prototyping-Lösungen sowohl auf FPGA-Basis als auch virtuell.

Für die Software-Entwicklung innerhalb der Lieferkette bieten wir Lösungen für das Prototyping sowie für den Test von Software an. Das Tool Saber kommt zur Validierung und Optimierung von Designs in den Bereichen Analog und Power sowie in Systemen der Leistungselektrik und der Mechatronik zum Einsatz. Die Software-Test-Plattform Coverity hilft den Unternehmen dabei, bereits an einer frühen Stelle des Entwicklungsprozesses Qualitäts- und Security-Testvorgänge einzubauen. Die VDK genannten Virtualizer Development Kits liefern eine dynamische Entwicklungs- und Testumgebung für Software, die den Aufwand im Rahmen des Gesamt-Entwicklungszyklus‘ verringert und dabei gleichzeitig Kosten senkt sowie Qualität und Zuverlässigkeit des Automotive-Systems erhöht. Unsere Technologien kommen bei der Entwicklung von Systemen in den Anwendungen Powertrain, Chassis/Safety, Body, Infotainment und ADAS zum Einsatz.

Marc Serughetti: „Heute müssen wir uns vermehrt die Fragen stellen, wie wir uns an die wachsenden Inhalte und Komplexitäten anpassen, wie wir Software besser testen und wie wir im Rahmen von ISO 26262 testen.“Alfred Vollmer

Welche Software-Herausforderungen geht Synopsys dabei an?

Marc Serughetti: Die Herausforderungen der Software-Entwicklung liegen sowohl im Bereich Design als auch beim Testen. Die notwendigerweise sehr komplexe Software benoetigt komplexe Multi-Core-Mikrocontroller (MCUs). Damit Halbleiterhersteller diese MCUs als optimierte Bausteine mit hoher Rechenleistung, Fehlertoleranz und geringem Stromverbrauch anbieten können, ist bereits auf der Architekturebene für MCUs eine Zusammenarbeit zwischen Halbleiterhersteller, Tier 1 und dem Fahrzeughersteller erforderlich. Im Jahr 2010 enthielt ein Oberklasse-Fahrzeug 100 Millionen Codezeilen. Heute sehen Sie immer öfter den Begriff „Software-Recall“, also Rückruf von Software; das zeigt, dass das Testen von kritischerer Bedeutung als je zuvor ist. Heute müssen wir uns vermehrt die Fragen stellen, wie wir uns an die wachsenden Inhalte und Komplexitäten anpassen, wie wir Software besser testen und wie wir im Rahmen von ISO 26262 testen.

Diese Herausforderungen lassen sich nicht mehr dadurch angehen, dass man einfach zusätzliche Entwicklungs-Ressourcen hinzufügt. Hier müssen neue Methodiken und Tools zum Einsatz kommen. Statisches Testen mit der Software-Testplattform Coverity und dynamisches Testen mit unseren Prototyping-Lösungen bieten die Möglichkeit, früher zu beginnen und effizienter zu sein: bei der Entwicklung der Software vom Mikrocontroller und dem Steuergerät bis zum kompletten Fahrzeug. Der Wert unserer Tools besteht darin, Auffälligkeiten früher zu finden, was die Kosten senkt und die Zuverlässigkeit erhöht.

Marc Serughetti: Für Virtual Prototyping ist folgendes erforderlich: „Eine Offenheit im Rahmen des Entwicklungsprozesses hin zu Verbesserungen des Prozesses bis in die Geschäftsleitung hinein, sowie ein langfristig zuverlässiger Lieferant.“Alfred Vollmer

Und schon sind wir beim Thema Virtual Prototyping…

Marc Serughetti: Virtual Prototyping kombiniert Methodik und Tools, die Entwicklungsteams in die Lage versetzen, bereits früher mit dem System- und Software-Design, der Entwicklung und dem Testen zu beginnen. Ein VDK kombiniert einen virtuellen Prototypen – das ist die Simulation des physikalischen Hardware-Systems, auf dem dann die Produktionssoftware läuft – mit fortschrittlichen Debugging- und Analyse-Tools. Dabei fügt es sich nahtlos in die bereits existierenden Entwicklungsabläufe, also die Development-Flows, ein. Mit dem Einsatz eines VDKs erhöht sich die Produktivität der Entwickler. Ein virtueller Prototyp kann einen Mikrocontroller, ein Steuergerät (ECU) und sogar ein Netzwerk aus ECUs repräsentieren. Er sorgt dafür, dass die Entwickler nicht mehr von der Verfügbarkeit eines physikalischen Systems abhängig sind, und auch Begrenzungen wie beispielsweise die Sichtbarkeit und Steuerbarkeit beim Debugging fallen weg. Ein VDK ist die Grundlage zum Etablieren einer virtuellen HiL-Umgebung. Es unterscheidet sich von einer herkömmlichen Hardware-Verifikationsumgebung, weil es früher verfügbar ist, auf die Software fokussiert ist und mit viel höherer Geschwindigkeit simuliert. Es unterscheidet sich auch von algorithmischer Simulation, weil es das Hardware-Verhalten enthält und die Software so ausführt, wie sie für die das finale Produktionsgerät compiliert wurde. Synopsys ist heute Marktführer bei Virtual Prototyping, mit einem geschätzten Marktanteil von 37 %.

Was sind die wesentlichen Anwendungsfälle?

Marc Serughetti: Es gibt heutzutage viele Anwendungen: frühe Softwareentwicklung inklusive MCAL, Portierung des Betriebssystems, Entwicklung komplexer Treiber, von Multicore-Software und von Algorithmen, Systemintegration und Test auf Basis von regressivem Testen von Multi-Vehicle-Software-Stacks sowie die E/E-Architektur des Fahrzeugs und das Testen. Der ISO-26262-Aspekt stellt sicher, dass ein Fahrzeug auch weiterhin sicher arbeitet, selbst wenn es zu einer Sicherheitsverletzung gekommen ist. Wenn sie wirklich ans Testen denken, dann geht es nicht nur darum, mehr zu testen, sondern auch darum, besser zu testen, weil es auf Grund der hohen Anzahl von Kombinationen und Fällen mittlerweile überhaupt nicht mehr möglich ist, die Tests zu managen. Hier hat Synopsys gut passende Lösungen, die dafür sorgen, dass sich das Testen managen lässt.

Marc Serughetti (im Interview mit AUTOMOBIL-ELEKTRONIK-Redakteur Alfred Vollmer): „Unser Automotive-Geschäft wächst signifikant. Wir bedienen die gesamte Lieferkette von den Halbleiterfirmen über die Tier-1s bis zu den OEMs.“Alfred Vollmer

Wie stellen Sie sicher, dass Ihre Produkte auch in den bereits existierenden Design-Flows nutzbar sind, und wie ergänzen Sie diese?

Marc Serughetti: Wir arbeiten direkt nach den Vorgaben unserer Schlüsselkunden und deren Halbleiterlieferunternehmen, um nahtlos in deren Umgebungen integrierbar zu sein und dabei auch in die existierenden gemeinsamen Entwicklungsprozesse organisch zu erweitern. Wir investieren in beachtlichem Umfang in die Integration mit Tools, die bereits bei Automotive-Entwicklern im Einsatz sind. Dazu gehört die Integration mit Source-Code-Debuggern von Lauterbach, ARM DS-5, PLS und Green Hills, Test-Tools, Simulationstools wie Simulink und Saber sowie Netzwerk-Tools wie CANoe von Vector Informatik. So oft es geht nutzten wir Standard-Schnittstellen, um die leichte Integration von VDKs mit der vom Kunden bevorzugten Toollandschaft zu ermöglichen. Wir ergänzen den bereits existierenden Design-Flow mit unseren eigenen Debugging-, Analyse- und Scripting-Tools, die es dem Enwickler ermoeglichen mit Hilfe der virtuellen Repräsentierung der Zielhardware die vorhandenen Fehler in der Software aufzudecken und nachhaltig – durch das ständige Hinzufügen von neuen Tests – zu beheben. Das ist der Schlüssel zu einer höheren Produktivität der Entwickler, zu mehr Tests in kürzerer Zeit und leichter Umsetzbarkeit. Wir arbeiten auch mit Embedded-Software-Unternehmen zusammen, die Betriebssysteme wie Autosar liefern. Ein VDK ist das perfekte Tool zur Entwicklung von hardware-unabhängiger Software und von Applikationen. Als weitere wichtige Hilfe für Softwareenwickler spezialisieren wir unsere Debug- and Analyse-Tools für die Anwendung mit der Autosar-Software, die mittlerweile in der Automobilbranche ein Teil von jeglicher Software ist, die im Automobil eingesetzt wird.

Marc Serughetti: „Statisches Testen mit der Software-Testplattform Coverity und dynamisches Testen mit unseren Prototyping-Lösungen bieten die Möglichkeit, früher zu beginnen und effizienter zu sein“Alfred Vollmer

Wie unterstützt Synopsys das Virtual Prototyping für Multi-ECU-Systeme?

Marc Serughetti: Die Automotive-Entwicklung ist ein Multi-Domänen-Problem. Wir müssen über verteilte Hosts und Tools hinweg eine nahtlose Simulation auf Fahrzeugebene ermöglichen. Zu diesem Zweck haben wir kürzlich unsere Virtualizer-MultiSim-Technologie angekündigt, die eine bis zu fünfmal schnellere VDK-Simulationsgeschwindigkeit bietet. Wir haben bereits in Pilotprojekten mit weltweit führenden Automobilherstellern demonstriert, wie große Teile des Fahrzeugs virtualisiert werden können, um Gesamtsystemuntersuchungen effizient durchführen zu können. Das ultimative Ziel besteht darin, die Fahrzeugelektronik virtuell zu entwickeln.

Wie unterstützen Sie das Design von sicherheitskritischen Systemen, beispielsweise gemäß ISO 26262?

Marc Serughetti: Im Kontext des Virtual Prototyping unterstützen wir den ISO-26262-Prozess, indem wir Safety-Teams ermöglichen, Fehler-Testszenarios früh zu entwickeln sowie Fehler- und Coverage-Tests auszuführen. Dies führt zu einem frühen Verständnis darüber, welche Veränderungen implementiert werden müssen. Zusätzliche Automotive-Technologien von Synopsys unterstützen ISO-26262-konforme Entwicklungen. Synopsys hat direkte Erfahrungen mit dem Standard, weil Synopsys die Safety-Dokumentation für seine DesignWare-ARC Prozessor-Cores entwickelt hat.

Marc Serughetti: VDKs ermöglichen es, „Testfälle durchzuführen, die sich in Hardware überhaupt nicht durchführen lassen. “Alfred Vollmer

Wie sieht es mit der Verfügbarkeit von virtuellen Prototypen für Mikrocontroller aus?

Marc Serughetti: Wir haben langfristige Geschäftsbeziehungen etabliert, die wir Center of Excellence nennen: zur gemeinsamen Entwicklung von Mikrocontroller-Modellen – und zwar mit den führenden Unternehmen, die Halbleiter für den Automotive-Bereich herstellen. So stellen wir die frühe Verfügbarkeit virtueller Prototypen von Automotive-Halbleitern sicher, die eine hohe Qualität aufweisen und Support von einem einzigen Anbieter. Heute unterstützen wir die Mikrocontroller-Familien Freescale MPC5xxx, Renesas RH850 und Infineon Aurix sowie einige MCUs auf ARM-Cortex-Basis.

Welcher Return-of-Investment ergibt sich durch die Nutzung von VDKs?

Marc Serughetti: Unsere auf Kundenerfahrungen basierenden Studien haben zwei Schlussfolgerungen gezeigt. Zum einen gibt es einen quantifizierbaren ROI in Form einer quantifizierbaren Erhöhung der Produktivität um 20 bis 30 Prozent. Der zweite Aspekt sind qualitative Vorteile, zu denen die Möglichkeit gehört, Testfälle durchzuführen, die sich in Hardware überhaupt nicht durchführen lassen. Auch die Abmilderung der Entwicklungsrisiken, die sich durch die Verfügbarkeit des Siliziums oder einer Test-Bench ergeben, und der Wert einer früheren Identifizierung von Problemen sind wesentliche Aspekte. Einige unserer Kunden haben Analysen durchgeführt, um zu erfassen, wie viel sie bei Nutzung unserer VDKs bei den Rückrufen einsparen. Diese Daten sind zwar vertraulich, zeigen aber klar die signifikante potenzielle Einsparung, die sich mit unseren VDKs erzielen lassen.

Marc Serughetti: „Ein VDK (Virtualizer Development Kit) unterscheidet sich von einer herkömmlichen Hardware-Verifikationsumgebung, weil es früher verfügbar ist, auf die Software fokussiert ist und mit viel höherer Geschwindigkeit simuliert.“Alfred Vollmer

Wie wichtig ist das automatisierte beziehungsweise pilotierte Fahren aus Sicht von Synopsys?

Marc Serughetti: ADAS ist ein hochaktuelles Wachstumssegment in der Automotive-Branche; mit unserer Technologie tragen wir dazu bei, dass die Software, die in diesem Bereich hochgradig sicherheitsrelevant ist, schneller und mit höherer Qualität entwickelt werden kann. Wir haben vor kurzem mit Freescale das VDK für den S32V200 vorgestellt, der speziell auf ADAS zugeschnitten ist. Es kombiniert einen wachsenden Software-Umfang, Multi-Subsystem/Prozessor-Integration und Safety-Tests. In dieser Dekade wird die Automobilindustrie wirklich aufregende und wesentliche Veränderungen durchmachen, die im Endeffekt durch die Integration von sehr vielen Funktionen und Informationen in der Fahrzeugsoftware ermöglicht werden.

Wie verändert sich die Automotive-Branche?

Marc Serughetti: Derzeit gibt es so viele Innovationen und Entwicklungen, die nicht nur die Technologie in Fahrzeugen und wie wir mit ihnen interagieren verändern werden sondern sich auch auf das Business der Automotive-Industrie auswirken. Im Silicon Valley, wo Synopsys seinen Firmensitz hat, haben alle Tier-1s und OEMs fortschrittliche Forschungslabors, und viele Unternehmen, die bisher nicht im Automotive-Umfeld tätig waren, werden mit eingebunden. Es gibt eine generelle Aufmerksamkeit und ein gewisses Vorrücken in mehrere Automotive-Bereiche. ADAS ist ganz klar ein Teil dessen, was mehrere Aspekte zusammenbringt: Connectivity, Safety, Zuverlässigkeit, Geschäftsmodelle etc. Und Testen ist immer erforderlich.

Automotive-Systeme werden immer komplexer. Wie unterstützten Sie Unternehmen beim Umgang mit dieser Herausforderung?

Marc Serughetti: Die Systemkomplexität ist am meisten sichtbar, wenn Unternehmen versuchen, Requirements – also Anforderungen – untereinander zu kommunizieren, beispielsweise zwischen einem OEM und seinen Tier-1s oder zwischen einem Halbleiterunternehmen und seinen Kunden. Ein Beispiel: Mikrocontroller entwickeln sich rasch zu Systemen, die aus mehreren Prozessor-Cores, Hardwarebeschleunigern und komplexen Interconnects bestehen. Das Architektur-Design dieser MCUs erfordert ein Verständnis der Software-Funktionen, die sie unterstützen werden. Dieses Know-how befindet sich allerdings bei den Kunden des Halbleiterunternehmens. Damit das Halbleiterunternehmen und seine Kunden zusammenarbeiten können, sind entsprechende Tools erforderlich – und das ist ein weiterer Bereich, in dem Virtual Prototyping eine Schlüsselrolle spielt. Die Architektur virtueller Prototypen ermöglicht die genaue Untersuchung, die Optimierung und die Validierung von MCU-Architekturen durch Nutzung von Software oder von Software-Repräsentationen, die Task-Graphen nutzen, um kollaborative dynamische Simulationen und Analysen voranzutreiben. Das Ergebnis ist ein Mikrocontroller, der die erwarteten Performance- und Power-Anforderungen erfüllt. Das Synopsys-Tool Platform Architect hat hierfür eine MCO genannte Multicore-Optimierung.

Wie wirkt sich das auf die Herausforderungen der OEMs aus?

Marc Serughetti: Für OEMs ist die Herausforderung sogar noch größer. Im Durchschnitt geht es in einem Fahrzeug um mehr als 200 Software-Tasks und über 500 Bussignale. Auf der Hardwareseite müssen die OEMs mehr als 60 Steuergeräte und über zehn serielle Datenbusse beherrschen. An dieser Stelle Personal aufzustocken ist keine Lösung des Problems, denn hier sind andere Aspekte gefragt – nämlich Expertise auf Systemebene, Zusammenarbeit und die Tools, die dabei helfen, mögliche Probleme bereits frühzeitig zu verstehen, zu analysieren und zu beseitigen. Genau hier können Lösungen von Synopsys helfen. Vor kurzem hat General Motors im Rahmen einer Präsentation in Detroit exakt dieses Faktum explizit erwähnt: Genauso wie im Bereich der mechanischen Konstruktionen werden wir mehr Simulation benötigen. Die Werkzeuge zur mechanischen Simulation sind sehr fortschrittlich, aber in den Bereichen Elektrik, Elektronik und/oder Software gab es bisher noch keine richtigen Aktivitäten. An diesem Punkt sehen GM – und wir – die Möglichkeit, den Schritt in die Zukunft zu gehen. Wir arbeiten derzeit mit einigen führenden OEMs daran, solche Lösungen zu liefern.

Was sollte ein Unternehmen beachten, das Interesse am Virtual Prototyping hat?

Marc Serughetti: Die Nutzung des Virtual Prototyping ist ein Wechsel der Methodik. Folglich sind mehrere Elemente erforderlich, zu denen unter anderem folgende Aspekte gehören: eine Offenheit im Rahmen des Entwicklungsprozesses hin zu Verbesserungen des Prozesses bis in die Geschäftsleitung hinein, sowie ein langfristig zuverlässiger Lieferant, der die Tools, die Methodik, die Modelle der virtuellen Prototypen und den globalen Support liefern kann, um so für eine erfolgreiche Umsetzung zu sorgen. Das ist ein Prozess, in dem Synopsys in einzigartiger Art und Weise positioniert ist, um so mit seiner Erfahrung, seiner Technologie und seiner finanziellen Langzeit-Stabilität Unterstützung zu geben. Ein Schlüsselelement zum Virtual Prototyping, das ich hier besonders herausstellen möchte, lautet folgendermaßen: „Es geht nicht darum, das Modell eines virtuellen Prototypen zu schaffen, das eine exakte Repräsentation des physikalischen Systems ist, sondern vielmehr ein ausreichendes Virtual-Prototyping-Modell, das den Endanwender in die Lage versetzen wird, eine vorgegebene Aufgabe früher und schneller zu umzusetzen.“ Synopsys hat unermüdlich daran gearbeitet, die Nutzung des Virtual Prototyping zu vereinfachen und zu kommunizieren. So veröffentlichten wir beispielsweise ein Buch, das echte Beispielanwendungen des Virtual Prototyping beschreibt, in dem es auch um Automotive-Projekte von Bosch, Hitachi und General Motors geht. Ich empfehle den Automotive-Unternehmen sehr, dieses Buch kostenlos von der Synopsys-Website herunter zu laden .

Welche Fortschritte haben Sie im Automotive-Bereich gemacht?

Marc Serughetti: Wir machen sowohl mit unserer Virtual-Prototyping-Lösung als auch mit unseren anderen Technologien schnelle und große Fortschritte im Automotive-Bereich – und zwar bei Halbeiter-Unternehmen, Tier-1s und OEMs. Der Grund hierfür ist unsere technologisch führende Position, aber auch unsere Möglichkeit, global Support und Services zu bieten. Jenseits der Technologie kann Synopsys den Automotive-Unternehmen die Geschäftsbeziehung bieten, die uns für diesen Markt zum Lieferant der Wahl macht. Wir sind gerade in einer Zeit der großartigen Innovationen, die von Software im Auto getrieben sind, und es ist sehr aufregend für uns, im Mittelpunkt zu stehen, wenn es darum geht, diese Innovationen zu ermöglichen.

(av)