Technische Herausforderungen bei der Entwicklung der nächsten Generation von ADAS und autonomen Fahrzeugen

Da fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) in Automobilen immer verbreiteter werden, weist die Zukunft auf autonome Fahrzeugsysteme hin. Die Entwicklung der nächsten Generation von ADAS und autonomen Fahrzeugen bringt jedoch zahlreiche kritische technische Herausforderungen mit sich. Dieser Artikel untersucht die wichtigsten technischen Herausforderungen, denen sich Original Equipment Manufacturers (OEMs) der Automobilindustrie beim Übergang von Level-2-ADAS zu Level-3- und Level-4-Autonomes-Fahren-Systemen stellen müssen, sowie relevante Lösungen, die von Microchip eingeführt wurden.

Skalierbare Hochleistungsrechnerarchitektur zur Bewältigung massiven Datenwachstums

Diese zunehmend fortschrittlichen ADAS- und autonom fahrenden Systeme, die auf den Markt eingeführt werden, werden die Fahrer nach und nach dabei unterstützen, ihre Augen und Gedanken von der vor ihnen liegenden Straße abzuwenden. Um dieses Ziel zu erreichen, sind jedoch zunächst Anpassungen an den Computerarchitekturen erforderlich. Trotz der wachsenden Anzahl von Electronic Control Units (ECUs) in Fahrzeugen konsolidieren traditionelle Automobile-Computing-Architekturen die Verarbeitungsvorgänge für jede spezifische Funktion in einem einzigen Computer-Element, das Daten von dedizierten Sensoren oder Eingaben integriert. Dieser Ansatz ist selbst für ADAS-Systeme mit niedrigem Niveau eine Herausforderung. In hochentwickelten autonomen Systemen machen die Kosten, Datenraten und der Energieverbrauch der benötigten Prozessleistung die Abhängigkeit von einem einzelnen Verarbeitungs-Element unpraktisch.   Das Bewältigen des massiven Anstiegs an Daten erfordert eine Überarbeitung der Computerarchitekturen, die Arbeitslasten auf mehrere Kerne innerhalb eines oder mehrerer Prozessoren verteilt. Diese Architektur bildet einen zentralen Rechencluster, wodurch effektiv ein "Rechenzentrum auf Rädern" entsteht. In diesem Rechenzentrumsmodell führen spezialisierte Verarbeitungselemente Bildanalysen auf Kameradatastreams durch. Separate Verarbeitungs-Kerne oder CPUs können Kameradaten mit Radar- oder Lidardaten fusionieren, um mithilfe der „Fusion“ von Daten aus verschiedenen Sensortypen ein besseres Verständnis der Fahrzeugumgebung zu ermöglichen. Andere Kerne können sich dann auf "Policy"-Verarbeitung konzentrieren, um die erforderlichen Maßnahmen basierend auf den Ergebnissen der Sensoranalyse zu bestimmen.   Aus Jahrzehnten der Entwicklung von Rechenzentren wurden die grundlegenden Elemente einer skalierbaren High-Performance Computing (HPC)-Architektur identifiziert. Dazu gehören HPC-System-on-Chips (SoCs) mit spezialisierten Bildverarbeitungs-Engines (Inference und Beschleunigung) sowie Hochgeschwindigkeits-PCIe®-Verbindungen mit niedriger Latenz zur Datenübertragung zwischen den SoCs. Darüber hinaus verbindet sich die Ethernet-Netzwerk-Konnektivität im Fahrzeug mit dem HPC-Cluster und überträgt Sensordatenströme und Steuerungssignale an andere wichtige Fahrzeugsysteme. Ein Sicherheitselement überwacht den Betrieb des HPC-Systems.

Lösungen für zunehmende Komplexität

Die nächste Generation von Fahrzeugen wird durch die neuen Technologien definiert, die in die Automobilindustrie eingeführt werden. Hersteller sind bestrebt, die neuesten 5G-Drahtloskommunikationstechnologien zu nutzen, um Sicherheit und Benutzererfahrung zu verbessern. Fahrzeuge werden Teil eines dynamischen Netzwerks sein, in dem Informationen mit anderen Verkehrsteilnehmern und sogar mit Verkehrskontrollinfrastrukturen geteilt werden, um das Reisen sicherer und effizienter zu machen. Diese Fahrzeug-zu-Alles-Kommunikation (V2X) wird erfordern, dass Fahrzeuge mit mehr Sensoren, Steuerungen und Rechenleistung ausgestattet werden, als üblich.   Dies wird noch kritischer sein bei dem viel diskutierten und mit Spannung erwarteten Übergang zu autonomen oder selbstfahrenden Fahrzeugen. Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) bieten Autofahrern bereits ausgeklügelte Lösungen für die Straßensicherheit. Die Interaktion mit anderen Verkehrsteilnehmern wird von Systemen abhängen, die Informationen über ihre Umgebung mit der geringstmöglichen Latenz sammeln, analysieren und darauf reagieren können.   Jedoch stellt die Automobilumgebung eine Herausforderung für sicherheitskritische Systeme dar. Selbst ein kurzzeitiger Verbindungsausfall, verursacht durch Vibrationen, kann zu einem erheblichen Verlust kritischer Informationen führen. Designer werden eine Reihe von miniaturisierten Steckerlösungen benötigen, die vibrationsbeständig sind und gleichzeitig Datenraten liefern, die weit höher liegen als die, die heute in der Automobilwelt zu finden sind.

Typische Datenzentrumsarchitektur für automobile HPC

Ethernet als dominierende Technologie für fahrzeuginternen Netzwerk-Backbones

In sowohl Autobahn- als auch städtischen Umgebungen können Verzögerungen oder Latenzen in der Datenübertragung fatal sein. Um Daten schnell und effizient von Sensoren zu Edge-Prozessoren und anschließend zu oder zwischen zentralen Recheneinheiten zu übertragen, muss das Datennetzwerk des Fahrzeugs das kritischste System sein.   Ethernet hat sich für die meisten globalen OEMs zur Mainstream-Technologie für In-Vehicle-Netzwerk-Backbones entwickelt. Als globaler Standard für Rechenzentren bietet Ethernet eine große Lieferantenbasis, kosteneffektive und skalierbare Bandbreitenoptionen sowie verschiedene Anpassungen, die gut für die Automobilindustrie geeignet sind. Für die gängigen Netzwerkanforderungen erfüllen Single-Pair-Ethernet (BASE-T1)-Standards mit Geschwindigkeiten von 100M und 1G die meisten Anforderungen und sind weltweit weit verbreitet. BASE-T1 reduziert die Anzahl der Kabel, bietet Gewichtseinsparungen und die Möglichkeit niedrigerer Kosten auf der Ethernet-Physikschicht.   Die Einführung der 10BASE-T1S-Technologie bietet eine Bandbreite mit niedrigerem Tempo und eine kostengünstige Alternative zum CAN-Netzwerk. Der 10BASE-T1S-Standard unterstützt Multi-Drop-Funktionalität und erleichtert damit die Verkabelung zu Sensoren in unterschiedlichen Fahrzeugzonen. Er bietet zudem das Potenzial, Steuergeräte (ECUs) zu eliminieren, die zuvor zur Verarbeitung und Weiterleitung von CAN-Nachrichten verwendet wurden, und vereinfacht so die Gestaltung von zonalen Netzwerkcontroller-Knoten. Diese Knoten aggregieren Datenströme an verschiedenen Punkten im Fahrzeug, ähnlich wie Autobahnauffahrten.   Serializer-Deserializer (SerDes)-Technologie bietet eine hochbandbreite, kosteneffiziente Lösung für kontinuierliche, überwiegend unidirektionale Datenübertragungsanforderungen. Kameras mit Raw-Daten-Schnittstellen nutzen SerDes, um die Echtzeit-Datenübertragung zu ermöglichen, die für leistungsstarke Bilderkennung erforderlich ist. Durch die Verwendung einer SerDes-Schnittstelle entfällt die Notwendigkeit der Vorverarbeitung direkt an der Kamera, sodass Rohdaten direkt an das ADAS-SoC gesendet werden können, wo optimierte Video-Engines die vollständig pixelierten Daten effizienter verarbeiten können. Dies verbessert die Systemleistung insgesamt und vermeidet die Kosten für redundante Vorverarbeitungs-Hardware an der Kamera. In der Praxis integrieren fast alle auf ADAS ausgerichteten SoC-Prozessoren mehrere Kameraschnittstellen und Bildverarbeitungs-Engines, weshalb die Datenvorverarbeitung an der Kamera eine unnötige Ressourcenverschwendung darstellt.   Für Anwendungen mit reinem Ethernet-Anschluss oder in Fällen, in denen vollständig pixelierte Daten nicht erforderlich sind (z.B. Rückfahrkameras), können Ethernet-basierte Kameras kostengünstiger sein. Zuvor waren SerDes-Lösungen häufig proprietär und zwang OEM-Designs an bestimmte Anbieter mit den dazugehörigen Hardware- und Softwarebeschränkungen. Durch den Motion Link-Standard der Automotive SerDes Alliance (ASA-ML) entstehen nun skalierbare und interoperable Produkte, die OEMs ein überlegenes und flexibles langfristiges Ökosystem bieten, das die Effizienz des Kameradatenmanagements und die Systemkompatibilität verbessert.   PCIe ist der Standard für die hochbandbreite Kommunikation zwischen CPUs in Rechenzentren. PCIe bietet extrem geringe Latenz, was für die Verarbeitung sicherheitskritischer Daten entscheidend ist. PCIe erreicht skalierbare Bandbreite durch einfaches Erhöhen der Anzahl der Lanes (ein Rx/Tx-Paar) innerhalb eines "Ports", wodurch Verbindungen leicht basierend auf tatsächlichen Bandbreitenanforderungen optimiert werden können. Weiterhin wird das PCIe-Protokoll von nahezu allen Hochleistungsprozessoren unterstützt, ein wesentlicher Vorteil bei der Auswahl von SoCs von verschiedenen Anbietern für unterschiedliche Aufgaben. Obwohl es keinen spezifischen Automotive-PCIe-Standard gibt, hat sich PCIe aufgrund seiner überlegenen Latenz und des geringen Verarbeitungsaufwands in Automobilanwendungen verbreitet, wobei bereits automobiltaugliche Chips verfügbar sind. Eine übliche Verbindung mit vier Lanes (Gen4), die in aktuellen ADAS-SoCs verwendet wird, bietet eine Bandbreite von 64 GT/s (etwa gleichwertig mit 64 Gbps), wodurch sie sich äußerst gut für das Hochgeschwindigkeits-Sharing von Bilddaten eignet.

Hochgeschwindigkeitsschnittstellen für das "Rechenzentrum auf Rädern"

Software-definierte Fahrzeuge als Kern zukünftiger Automobilanwendungen

Die Softwareentwicklung ist mittlerweile zentral für nahezu alle Fahrzeugfunktionen und geht über die Entwicklung von AI-Systemen hinaus, die die Umgebung des Fahrzeugs interpretieren und auf Notfälle reagieren. In frühen Fahrzeugplattformen wurde Software hauptsächlich genutzt, um einzigartige, fortschrittliche Funktionen wie Antiblockiersysteme (ABS) zu implementieren. Mit der Weiterentwicklung von Infotainment- und Mensch-Maschine-Schnittstellen begann Anwendungssoftware, ähnlich der Software in Smartphones, auf Applikationsprozessoren in Fahrzeugen zu laufen. Heute werden Fahrzeugchassis, Antriebsstränge, Sicherheitsfunktionen und Infotainment zunehmend durch Software umgesetzt. Dies hat zu dem Konzept des Software-Defined Vehicle (SDV) geführt, das es ermöglicht, Fahrzeuge während ihres gesamten Lebenszyklus zu aktualisieren, bestehende Funktionen zu verbessern und neue hinzuzufügen.   Traditionell wurden Software-Upgrades für ältere, spezifische Funktionssysteme wie Motorsteuerungen während eines Servicebesuchs über ein Datenkabel durchgeführt. Mittlerweile setzen immer mehr Hersteller auf Over-the-Air (OTA)-Updates. OTA-Updates von OEMs können Fehlerbehebungen, die Hinzufügung neuer Funktionen oder Leistungsverbesserungen wie Optimierungen für das Fahren in großer Höhe oder im Gelände umfassen.   Aus Sicht der Software kann ein SDV heute als mobiles Datenzentrum betrachtet werden. Neue Funktionen können Jahre nach der Produktion des Fahrzeugs hinzugefügt werden, was potenziell die Abschreibungsraten senkt. Erweiterte Wartungsfunktionen könnten als Paket verkauft werden, das die Echtzeitüberwachung des Verschleißes von Bauteilen ermöglicht und Wartungsarbeiten basierend auf der tatsächlichen Nutzung anstatt nur der gefahrenen Kilometer plant.   Automobilunternehmen mit begrenzter Erfahrung in der Implementierung grundlegender Datacenter-Technologien müssen jedoch in die Entwicklung neuer Fähigkeiten investieren. Netzwerkmanagement ist zu einem spezialisierten Funktionsbereich geworden, der zuvor bei eigenständigen Systemen nicht erforderlich war. Einzigartig in der Automobilbranche beeinflussen funktionale Sicherheitsprozesse wie ISO 26262 in Kombination mit Datacenter-Hardware und -Software die Entwicklung und Implementierung elektronischer und softwaregesteuerter Systeme.

Daten fließen über PCIe®-Verbindungen in einem HPC-System

Umfassendes Produktportfolio für ADAS- und autonomes Fahranwendungen

Microchip bietet eine breite Palette von Produktlinien, um den Anforderungen von ADAS- und autonomen Fahranwendungen gerecht zu werden. Die wichtigsten Technologieplattformen in diesem Bereich umfassen funktionale Sicherheit, eingebettete Sicherheit, Touch- und Gestensteuerung sowie Ethernet-Technologie, die ein recht vollständiges Portfolio bilden.   Die Robustheit, Zuverlässigkeit und Sicherheit von Endprodukten werden zunehmend wichtiger. Innerhalb des Produktportfolios für funktionale Sicherheit unterstützt Microchip Produkte, die den Standards für funktionale Sicherheit entsprechen oder für funktionale Sicherheit bereit sind, wie Mikrocontroller (MCUs) und digitale Signalcontroller (DSCs), einschließlich AVR® und PIC® MCUs, dsPIC® DSCs, SAM und PIC32 MCUs sowie FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) und SoCs. Diese Produkte enthalten die neuesten Sicherheitshardwarefunktionen und unterstützende Dokumentationen, um ISO 26262, IEC 61508 und IEC 60730 Sicherheitszertifikate zu erreichen. Einige der Geräte von Microchip sind bereits funktional sicherheitszertifiziert, das heißt, sie wurden nach ISO 26262-konformen Prozessen entwickelt, sind gemäß AEC-Q100-Standards gestaltet und besitzen professionelle Sicherheitshardwarefunktionen.   Für die Plattform Embedded Security bietet Microchip ein umfassendes Portfolio an Sicherheits-ICs sowie sicherheitsorientierte MCUs, Mikroprozessoren (MPUs) und FPGAs. Darüber hinaus bietet Microchip Softwarebibliotheken, erweiterte Protokolle, Entwicklungskits, Schulungen und andere Ressourcen, um Kunden einen schnellen Einstieg in die Entwicklung sicherer Lösungen zu ermöglichen.   Innerhalb der Touch- und Gestenanwendungsplattform bietet Microchip MCUs mit Touch-Funktionalität, kapazitive Touch-Controller und 3D-Gesten-Controller, die den Austausch mechanischer Tasten durch berührungs- oder gestenbasierte Schnittstellen ermöglichen, um die Nutzererfahrung von Endprodukten zu verbessern. Microchip bietet kapazitive Touch-Lösungen für verschiedene Anwendungen an. Zu den Touch-Produkten gehören schlüsselfertige kapazitive Touch-Controller, Touch-Bibliotheken zur Implementierung von Berührungserkennung auf den meisten PIC®, AVR® und SAM MCUs sowie dsPIC33C DSCs und Ein-Chip-Lösungen zur Integration von Gestenerkennung in nahezu jedes Produkt.   Microchip bietet außerdem flexible Ethernet-Lösungen, um robuste und zuverlässige Hochgeschwindigkeitskommunikation in Embedded-Designs zu integrieren. Die eigenständigen Geräte von Microchip sowie Ethernet-fähige MCUs und MPUs erleichtern die einfache Implementierung von Ethernet in Anwendungen. Microchip stellt Timing-Lösungen für seine Ethernet-Produkte bereit, um höhere Zuverlässigkeit und geringeren Stromverbrauch in Designs zu erzielen und den AEC-Q100-Anforderungen für Automobilnetzwerkanwendungen gerecht zu werden. Die Hochleistungs-Ethernet-Transceiver (PHYs) von Microchip reduzieren Footprint, Stromverbrauch und Kosten erheblich und bieten 10BASE-T, 10BASE-T1S, 100BASE-TX, 100BASE-T1 und 1000BASE-T PHYs. Die Ethernet-Bridges von Microchip ermöglichen flexible Ethernet-Konnektivität zu Host-Prozessoren über USB, High-Speed Inter-Chip (HSIC), PCI™ oder PCI Express® (PCIe®)-Schnittstellen und verkürzen damit die Entwicklungszeit.

Fazit