TechnikSensorik im Auto

Auf der Suche nach mehr Rechenpower

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Christoph Hammerschmidt

Christoph Hammerschmidt

freier Journalist

Die Automobilelektronik steht zunehmend vor einem Dilemma: Eigentlich müssen Chips, die im Auto eingesetzt werden, speziell für den Betrieb in rauen Umgebungen entwickelt sein. Doch die Consumer-Märkte haben die schnelleren Prozessoren für coole Anwendungen. Was tun?

18. November 2014

Wenn der Besitzer eines modernen Fahrzeugs den Schlüssel ins Schloss steckt, fahren in Sekundenbruchteilen die Rechner an Bord hoch und aktivieren Fahrerassistenzsysteme, Infotainment und Connectivity-Services. Noch bevor der Zündschlüssel im Schloss gedreht ist, nehmen Ein- oder Ausparksysteme ihre Arbeit auf, Sensoren prüfen, ob der Raum vor und hinter dem Fahrzeug frei ist. Unterwegs checkt ein Assistenzsystem laufend die Signale der bordeigenen Stereokamera. Es erkennt andere Verkehrsteilnehmer, Fußgänger und Radfahrer. Um sicher zu gehen, vergleicht es die Kamerabilder ständig mit dem Signal des Radarsensors. Binnen Millisekunden erkennt das System nicht nur andere Verkehrsteilnehmer, sondern auch deren Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit. Und das alles mit sehr hoher Treffsicherheit.

Neue Rechnerplattformen gefordert

Ein weiterer Prozessor errechnet kontinuierlich das Bild der Instrumente im Armaturenbrett. Bei vielen Oberklasse-Fahrzeugen bestehen Drehzahlmesser, Tacho und Tankuhr nur noch aus einer virtuellen Darstellung auf einem Bildschirm. In manchen Fahrzeugen, z.B. dem neuen Audi TT, wird dazu noch das Navigationsbild eingeblendet. Jaguar zaubert auf Wunsch eine elektronische Ausgabe des Fahrerhandbuchs mit sämtlichen Abbildungen auf das Armaturenbrett.

Alle diese komplexen, häufig auch zeitkritischen Aufgaben im Auto verlangen sehr anspruchsvolle Rechenplattformen mit Prozessoren im oberen Leistungsbereich. Im Armaturenbrett mancher Autos finden sich Grafikchips, die in ähnlicher Version auch für Game-Plattformen Verwendung finden.

Der Trend zum Connected Car mit seinen zahllosen Sensorabfragen und automatischen Datenverbindungen wird den Bedarf an Rechenleistung im Auto weiter erhöhen. Dasselbe gilt für die Entwicklung automatisierter Fahrmodi. Und dann gibt es ja auch noch bei verschiedenen Fahrzeugherstellern wie BMW Überlegungen, die verstreute Rechnerlandschaft unter der Motorhaube und rund um die Mittelkonsole durch sogenannte Domänenrechner zu ersetzen. Diese müssten natürlich noch einmal eine wesentlich höhere Leistung aufweisen.

Chipentwicklung für die Masse

Die Entwicklung solcher komplexen und leistungsstarken Halbleiterbausteine ist jedoch teuer. Um einen solchen Chip zu entwickeln, muss der Hersteller schon mal eine zwei- bis dreistellige Millionensumme in die Hand nehmen. Das aber lohnt sich nur bei hohen Stückzahlen. Die aber kann die Autoindustrie nicht absorbieren – trotz aller Elektronisierung der Fahrzeuge nimmt die gesamte Autoindustrie nur etwa neun Prozent aller weltweit gebauten Halbleiter auf. Die Halbleiterindustrie konzipiert ihre Chips daher so, dass sie einen möglichst großen Abnehmerkreis erreichen.

Das bringt die Autoindustrie in die Zwickmühle: Sie würde schon gerne die schnellsten und neuesten Chips einbauen. Die sind aber meist nicht für den Einsatz in einer so fordernden Umgebung wie dem Auto designt: Chips im Auto müssen arktische Kälte ebenso aushalten wie tropische Hitze; sie müssen meist ohne Kühlung auskommen und trotzdem länger leben. Und dann müssen sie auch noch erheblich länger lieferbar sein als ihre Kollegen für den Einsatz im Wohnzimmer oder auf dem Schreibtisch. Consumerchips führen, im Gegensatz zu den Bauelementen für Autos, ein recht komfortables, dafür aber meist kürzeres Leben. Niemand erwartet, dass ein Laptop, Tablet oder Handy 15 Jahre lang seinen Dienst tut.

Zwickmühle: Sicher versus leistungsstark

Diese Situation – auf der einen Seite ein vergleichsweise mageres Angebot an widerstandsfähigen, speziell für den Betrieb im Auto entwickelten Chips, auf der anderen Seite eine riesige Auswahl an hochperformanten, preiswerten, aber leider nicht sehr robusten Bauteilen – bringt Autohersteller und Zulieferer in Bedrängnis. Der Ausfallsicherheit verpflichtet, möchten sie eigentlich nur speziell entwickelte und getestete „automotive-grade“ Halbleiter einbauen.

Dennoch lässt sich der Griff in die Kiste mit den Consumerbauteilen nicht immer vermeiden. Denn die technische Entwicklung in diesem Segment verläuft ungleich schneller als diejenige im kleinen, aber feinen Zirkel der Auto-Chips. Und die Fahrzeughersteller sehen sich zunehmend unter Druck, ihren Kunden im Auto die gleiche Datenumgebung wie im Wohnzimmer bieten zu können. Die erforderlichen schnellen Prozessoren für die schicken neuen Funktionen gibt es aber meist erst einmal für das breiteste Publikum, für die Consumermärkte. „Diese Schere wird wohl noch weiter auseinandergehen“, räumt ein Sprecher des Chipherstellers ST Microelectronics ein.

Performance unter der Haube – wie im Wohnzimmer

Noch widersteht die Autoindustrie weitgehend der Verlockung. „Wir verbauen in Serienfahrzeugen keine Hardware aus der Consumer-Elektronik“, sagt etwa ein Sprecher von Daimler. In der Vorentwicklung, wo die Autobauer die Technik der nächsten und übernächsten Generation andenken und testen, finden diese Bauteile allerdings schon den Weg in die Fahrzeuge. Bis zur Serienreife müssen die Schaltungen dann nach Möglichkeit auf die Auto-Anforderungen getrimmt werden.

Damit bei der Verwendung der Consumerware die technische Sicherheit und Zuverlässigkeit nicht unter die Räder kommen, hat sich jetzt eine Fachgruppe des Branchenverbands ZVEI zu Wort gemeldet und ein abgestimmtes Vorgehen aller Beteiligten entlang der Automobil-Wertschöpfungskette bei der Entwicklung von Fahrzeug-Steuercomputern gefordert. „Wir müssen so zusammenarbeiten, dass kein erhöhtes Risiko entsteht“, erläutert der Sprecher der Gruppe, Stephan Lehmann vom Chiphersteller Freescale. Konstruktive Maßnahmen müssten gewährleisten, dass die Ausfallsicherheit der Systeme unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet sei.

Halbleiter auf Sicherheit trimmen

Geeignete Maßnahmen sind beispielsweise Redundanz, Kühlung des Bauelements oder Reduzierung der Betriebsspannung. Ganz oben auf der Liste der möglichen Maßnahmen steht eine Absenkung der maximalen zulässigen Umgebungstemperatur – das erlaubt einerseits eine höhere maximale Taktfrequenz und verlängert andererseits die Bauteillebensdauer. Eine Absenkung der Taktfrequenz erhöht zwar ebenso die Bauteillebensdauer, allerdings werden Elektronik-Entwickler zu dieser Maßnahme nur ungern greifen: Eine niedrigere Taktfrequenz ist gleichbedeutend mit niedrigerer Performance. Und gerade wegen der Performance haben die Entwickler oft ja genau diesen Baustein ausgesucht.