elektronische Systeme im Automobil müssen allen regeln der funktionalen Sicherheit genügen. Dennoch sollen

sie – zumindest im infotainment-Bereich – auf dem neusten Stand der Unterhaltungselektronik sein und alle

Funktionen in gleicher Geschwindigkeit und Qualität darstellen. eine Gratwanderung für die entwickler, die das

Dilemma nur mit Standards und einer engen Zusammenarbeit mit den Halbleiterherstellern lösen können.

Dabei lassen sich bereits heute, mit nur geringem Aufwand, Querschnittstechniken ins Fahrzeug integrieren.

KOOPERATIVE MOBILITÄT GELINGT NUR MIT TECHNIKTRANSFER

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Kooperative Mobilität

Jetzt offenbart sich das Automobil also auch noch als Datenmoloch. Verschiedene im Fahrzeug integrierte Kommunikations-systeme sammeln Daten, die sowohl für Fahr sicherheits- als auch für Komfortfunk-tionen benötigt werden. Eine Funkstille wird es nicht geben. Selbst im geparkten Zustand werden Informationen mit exter-nen Datenquellen ausgetauscht: sei es beim Laden an der Elektrotankstelle oder beim Service in der Werkstatt. Die Vision vom vernetzten Auto ist real, die Angst vor einem Scheitern aber auch. Vor allem die große Konkurrenz von Unter-nehmen aus der klassischen IT-Welt, die immer stärker in den Markt mit dem Han-del von Informationen drängen, bereitet den Automobilherstellern große Sorgen. Denn künftig sind die Automobilhersteller auf die Zusammenarbeit mit Partnern aus dem automobilfremden Segment angewiesen.

Einer aktuellen Roland-Berger-Studie zufolge bieten nämlich vernetzte Automo-bile den etablierten Autoherstellern und Zulieferern attraktive Geschäftsmodelle. Vor allem das Handhaben von Daten und Informationen, die sich aus dem Fahr- und Mobilitätsverhalten ergeben, wird einen großen Wert darstellen. Weil sich auf das Sammeln von diesen Fahrdaten neue Geschäftsmodelle ergeben – etwa das Betreiben von Apps –, müssen die Automobilhersteller ihren bislang exklusi-ven Zugang zu Fahrzeug und Fahrer ver-teidigen. Das ist ein Ergebnis der Studie „Connected vehicles – Conquering the value of data“. Die Analysten weisen dabei dar-auf hin, dass dies allerdings nur dann ge -lingt, wenn sie ihre Innovationszyklen an die Geschwindigkeit der ITK-Industrie an -passen und in der Lage sind, eine Vielzahl von Partnerschaften parallel zu managen.

Einen ersten Schritt in Richtung einer branchenübergrei fenden Zusammen-arbeit geht die vor wenigen Wochen initiierte Forschungsinitiative Converge. Insgesamt 14 Partner aus der Automobil-industrie, der Elektronik-, Tele kommuni -kations- und Softwarebranche, der Wis-senschaft sowie einem Straßenbetreiber bilden dazu einen Car-to-X-Systemver-bund, der alle Beteiligten zuständigkeits- und systemübergreifend vernetzt. Das Ziel sind einheitliche Regeln, um gemein-sam die Vernetzung von Fahrzeugen

untereinander und mit der Verkehrsinfra-struktur, ❶, voranzutreiben. So sollen unter anderem Regularien erar beitet wer-den, wie in Zukunft unterschiedliche Ver-kehrs ins titutionen in Abhängigkeit ihrer Zuständigkeiten und Rollen zusammen-arbeiten sollten. Als technische Grund-lage soll eine vollständig neue offene Kommunikations-, Dienste- und Orga-nisations architektur erstellt werden, die den neuesten Stand der Kommunikati-onstechniken sowie den Techniken der IT-Sicherheit abbildet.

Doch diese Entwicklung zwingt die Unternehmen der Automobilbranche auch dazu, ihre Geschäftsmodelle zu überprüfen. Denn sie ermöglicht auch branchenfremden Wettbewerber den Markteintritt. Laut Roland Berger müssen Her steller und Zulieferer ihre Position im Markt der vernetzten Automobilität von Anfang an festigen. Auch deshalb, weil ab Werk eingebaute ITK-Komponenten eine starke Konkurrenz in Komponenten finden werden, die erst nachgerüstet werden können. Dabei bietet das Nach-rüstgeschäft die größten Chancen für die Zulieferer.

restrisiKo: lange innovationszyKlen

Das Vorhaben ist allerdings mit einem Restrisiko verbunden. Während die Auto-mobilbranche daran gewöhnt ist, in Inno-vationszyklen von mehreren Jahren zu denken, rechnet der Anwender von ITK-Hard- und -Software alle 18 Monate mit neuen Modelle und Versionen. Diese Un -ternehmen werden also die Innovations-zyklen der Fahrzeugvernetzung maßgeb-lich beeinflussen. Doch es werden noch weitere Forderungen gestellt. Die Kunden erwarten, dass sich die vernetzten Sys-teme jederzeit aktualisieren lassen. Auch muss eine nahtlose Verbindung zu vor-handenen Netzen, Anwendungen oder cloud-basierten Applikationen bestehen.

Die Folgen für die Entwicklungsabtei-lungen sind enorm. Ein intensiver Technik-austausch zwischen beiden Systemwelten ist deshalb von größter Bedeutung, mahnt Roland Berger. Die Analysten glauben zudem, dass die etablierten Spieler im Markt die erforderlichen Komponenten nicht aus eigener Kraft entwickeln kön-nen. Ihrer Ansicht nach müssen nicht nur neue Zulieferer gefunden werden, auch

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die Organisationsstrukturen und Beschaf-fungsprozesse müssen den neuen Markt-erfordernissen angepasst werden.

Wie groß der Handlungsbedarf ist, ver-deutlicht das vom Ingolstädter Autoher-steller Audi zum Jahreswechsel verkün-digte Progressive SemiConductor Program (PSCP), ❷. Der OEM hat er kannt, dass der interne Umgang mit den Halbleitern und mit den Halbleiterherstellern der Bedeutung der siliziumbasierten Bauteile bei weitem nicht gerecht wird. Vor dem Hintergrund der mittlerweile annähernd 8000 Halbleiter, die in aktuellen Premium-fahrzeugen verbaut sind, ist dieser ganz-heitliche Strategieansatz eine Möglichkeit, unter anderem die Versorgungssicherheit zu gewährleisten.

Qualifizierte Halbleiter aus der KonsuMeleKtroniK

Gelingt es beispielsweise nicht, die vom Halbleiterhersteller aufgekündig-ten Bausteine rechtzeitig zu ersetzen, stehen in der Konsequenz im schlimms-ten Fall die Produktionsbänder still. Und der Handlungsdruck steigt. Immer schneller vollzieht sich in der Mikroelek-tronik der Technikwechsel. Haupttreiber sind vor allem neue Fertigungsverfahren in der Halbleiterindustrie. Betrug vor einigen Jahren die Zykluszeit bei den

Leistungsbausteinen Mosfets (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ❸, noch 36 Monate, so sind es in Kürze nur noch 24 Monate. Und bei den Speicher-bausteinen wie etwa den Nand-Flash (ein Typ von Flash-Speichern) sind es nur noch 18 Monate. Zwar profitiert die Autobranche auch davon: Die neuen

Halbleiter sind oftmals günstiger, weisen eine höhere Integrationsdichte auf und arbeiten zudem noch energieeffizienter. Doch nur in sehr wenigen Fällen lassen sich die neuen Varianten eins zu eins gegen die Vorgänger version austauschen. So werden in der Regel neue Software-treiber benötigt, die unter anderem mehr Rechenleistung erfordern. Bei den Leis-tungshalbleitern wie bei den Mosfets ist der Aufwand noch größer. Bestehende Schutzschaltungen müssen ersetzt und neu entwickelt werden. Dann folgen teils aufwendige Qualifikationen und Fahr-zeugabsicherungsläufe. Dazu zählen unter anderem EMV-Untersuchungen, thermische Prüfungen etc.. Ein zeitauf-wendiges Prozedere, welches Audi mit dem neuen Programm optimieren möchte. Als zentrale Strategie rückt der Autohersteller deshalb den Technikzyk-lus der Halb leiterhersteller in den Mittel-punkt künftiger Entwicklungen.

Das Besondere an dem Programm aber ist, dass nicht der Halbleiter für sich – also als einzelnes elektronisches Bauteil – betrachtet wird, sondern vielmehr die Applikation, in der ein Halbleiter ver-wendet wird. Und damit rücken auch externe Bauteile ins Zentrum der Ent-wicklung, wodurch auch das Layout hin-sichtlich Kühlung überarbeitet werden muss.

➊ Für eine effiziente Verkehrsinfrastruktur werden branchenübergreifende Standards benötigt (Bild © Florida Department of Transportation, FDOT)

Halbleiterkompetenz/Aufgabe

Herstellprozess

Analyse

Änderungsmanagement

Qualifikation

Versorgungssicherheit

Versorgungsqualität

Technologie & Design

Hardwarearchitekur/Steuergeräteebene)

Anforderungen an Halbleiterdesign

Reifegrad im Entwicklungspozess

Schnelle, zielgerichtete Problemanalyse

OEM Tier-1-Zulieferer

Halbleiter-hersteller

Bewertung Freigaben/Treiben Durchführung

❷ Verbesserung der Halbleiterkompetenz entlang der Lieferkette durch eine strukturierte Aufgabenverteilung (Bild © Audi)

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iM sog neuer prozessortecHniKen

Doch mit dieser Strategie lässt sich nur ein Teil des Problems lösen. Mit jeder neuen Prozessortechnik, die in modernen Smart-phones zum Einsatz kommen, steigen auch die Forderungen an Darstellungsge-schwindigkeit und -qualität der im Fahr-zeug verbauten Infotainment-Systeme. Neben der EMV-Sicherheit – die in der Konsumelektronik nur rudimentär gewähr-leistet ist, für die Automobilentwickler allerdings eine wesentliche Voraussetzung darstellt – beschäftigen sich die Ingenieure in erster Linie mit der Sicherheit der Sys-teme. Nahezu 90 % der von Forsa im Rah-men des Branchenkompass 2011 „Future Embedded Systems“ befragten Unterneh-men gaben an, dass das Thema Sicherheit bei Eingebetteten Systemen eine wichtige bis sehr wichtige Rolle spielt.

Ein Griff in den Warenkorb der Konsum-branche, um dort günstige Bauteile zu erhalten, ist deshalb nicht möglich. Zwar finden sich in einigen Bereichen der Auto-mobilelektronik bereits Prozessoren und Speicherbausteine, wie sie auch in Smart-phones oder anderen elektronischen Kon-sumgeräten verbaut wurden. Im Segment Automobil-Infotainment sind es aktuell im

Durchschnitt etwa 30 %. Doch durchlau-fen alle Bauteile einen Qualifizierungspro-zess, um die er höhten Anforderungen zu erfüllen. Insbesondere die Temperatursta-bilität und der Schutz vor Feuchtigkeit sind Kriterien, die eingehalten werden müssen. Denn gegenüber herkömmlichen Smartphones endet der Produktzyklus nicht schon nach zwei Jahren.

Darüber hinaus fordern die Automobil-entwickler Halbleiterbausteine mit integ-rierter Diagnosefunktion – wie es exemp-larisch der Class-D-Verstärker TAS541B-Q1 von Texas Instruments verdeutlicht. Ein Algorithmus erkennt beispielsweise nicht angeschlossene Lautsprecherkabel bezie-hungsweise einen Kurzschluss. Das erleichtert unter anderem bei der Endmon-tage das Sicherstellen aller Funktionen. Die Basisfunktionen des Halbleiters sind allerdings dieselben wie bei handelsübli-chen Systemen. Für sicherheitskritische Systeme, ❹, im Auto werden ausschließ-lich speziell qualifizierte Kontroller und Funktionsbausteine eingesetzt. Doch auch in diesem Segment be mühen sich die Her-steller siliziumbasierter Elektronik, die Bausteine derart zu konzipieren, dass sie sich auch für branchenfremde Anwendun-gen eignen – etwa für Systeme in der Luftfahrt.

➌ Leistungshalbleiter wie Mosfets (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) werden unter anderem für Start-Stopp-Systeme benötigt (Bild © infineon)

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brancHenübergreifende standardisierung

Das alles geschieht vor dem Hintergrund, dass der Markt für eingebettete Systeme weltweit einen Umsatz von rund 160 Mil-liarden Euro generiert und jährlich mit etwa neun Prozent wächst – laut Progno-sen des Branchenverbands Bitkom. Mit der Vernetzung automobiltypischer Funk-

tionen mit externen Systemen nimmt die Bedeutung für eingebettete Systeme, ❺, sehr stark zu. Weil die physikalische und virtuelle Welt im Automobil zu neuen Funktionen verschmelzen – so die Forsa-Studie – entstehen sogenannte „Future Embedded Systems“. Dabei handelt es sich um softwareintensive eingebettete Systeme (Cyber-Physikal Systems CPS), die domänenübergreifend und global mit

weltweit verfügbaren Diensten vernetzt sind. Im Fokus der Entwickler stehen beispielsweise das „Autonome Fahren“ oder „Smart Mobility“. Damit diese inno-vativen Querschnittstechniken künftig ohne großen Aufwand und sicher ins Automobil integriert werden können, sucht die Branche nach verbindlichen Standards.

Die Standardisierung ist demnach auch die größte Herausforderung in der nahen Zukunft, so die Forsa-Studie, die von der ESG Elektroniksystem- und Logistik GmbH sowie dem F.A.Z.-Institut in Auf-trag gegeben wurde. Vor allem auch des-halb, weil sich dadurch der Programmier-aufwand erheblich reduzieren lässt. Das Wiederverwenden von Softwarefunktio-nen und die Datensicherheit ist zudem ein weiterer Vorteil standardisierter Produkte.

Andreas Burkert

➎ Siemens entwickelt ein „single computer“-Bussystem für künftige e-Fahrzeuge (Bild © Siemens)

➍ elektrofahrzeuge benötigen spezielle Sicherheits- und kommunikationskonzepte. Denn sie sind stärker in die Straßen- und energieinfrastruktur integriert (Bild © Fraunhofer eSk)

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