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TechnikSensorik im Auto

Auf der Suche nach mehr Rechen­power

Lesezeit ca.: 5 Minuten
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.