Wie das Fahrzeugdesign Prozessoren beeinflusst

Die Anforderungen an Halbleiter für die Automobilindustrie waren schon immer hoch. Sie reichen von Langlebigkeit und langer Verfügbarkeit bis zur Widerstandsfähigkeit bei schwierigen Bedingungen, z.B. bei extremen elektrischen Impulsen. Mikrocontroller für die Automobilindustrie basieren daher in der Regel auf älteren Produktgenerationen als kommerzielle Anwendungen. Mit Ausnahme vielleicht der leistungsstarken SoCs (System on a Chip), die in Telematiksystemen eingesetzt werden, und bei denen die funktionale Sicherheit keine Rolle spielt.

Zudem ist die Art und Weise, wie Software entwickelt wird, für Firmware-Updates nicht förderlich. AUTOSAR ist gut etabliert. Der Code ist jedoch untrennbar mit der Hardware verbunden und lässt sich nur schwer auf einen neuen Prozessor portieren oder updaten.

Daher wächst die Nachfrage der Automobilindustrie nach einer neuen Generation von Plattformen, die die Performance aktueller Smartphone-SoCs bieten, aber gleichzeitig den Sicherheitsanforderungen der Automobilindustrie entsprechen. Der Schlüssel dazu ist der Einsatz von Virtualisierung. Sie schafft die Voraussetzungen dafür, dass mehrere Betriebssysteme auf einem einzigen Multicore-Prozessor arbeiten können. Fällt eines davon aus, hat dies keine Auswirkungen auf die anderen. Das erlaubt die Ausführung einer Mischung aus Standard- und sicherheitskritischem Code auf einem einzigen SoC.

Diesen Ansatz gibt es aber nicht ganz umsonst. Denn die Virtualisierung führt zu einem Overhead, der die Leistung beeinträchtigt.

Die Automobilindustrie benötigt daher eine neue Generation von SoCs, um die Echtzeitleistung beim Zugriff auf Hardwareschnittstellen mit virtualisierter Software beizubehalten. Die stellt NXP mit seinen Echtzeitprozessorfamilien S32E und S32Z bereit. Die in 16nm gefertigten SoCs, für die ein Weg zu 5nm vorgesehen ist, bieten acht Arm Cortex-R53-Prozessoren. Diese sind für aktuelle eingebettete Echtzeitsysteme mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1 GHz ausgelegt. Die für Domain- und Zonal-Controller konzipierten Bausteine unterstützen Anwendungen bis zum ASIL D-Level. Die Kerne sind für individuelle Nutzung oder flexiblen Lockstep-Betrieb konfigurierbar.

Auch der Trend zur Virtualisierung wird berücksichtigt. Verschiedene Hardware-Funktionen unterstützen Automobilanwendungen und schließen Rückwirkungen zwischen Betriebssystemen, die auf derselben Hardware ausgeführt werden, aus. Ein wesentlicher Aspekt ist hier zum Beispiel die GPIO-Steuerung, die eine "Core-to-Pin"-Virtualisierung unterstützt.

CAN wird auch in Zukunft eine wichtige Netzwerktechnologie in Fahrzeugen bleiben, die aber während des Kommunikationsaustauschs viele Unterbrechungen erzeugt. Der S32E und der S32Z bieten daher 24 CAN/CAN FD-Schnittstellen über eine Flexible Low Latency Communication Engine (FlexLLCE). Neben der Auslagerung der Kommunikationsanforderungen können die Schnittstellen auch Betriebssystemen in Hardware zugewiesen werden.

Die Automobilindustrie hat erkannt, dass Softwareflexibilität weit mehr umfasst als die Installation einer App oder die Aktualisierung einer Karte. Verbraucher, die mit individualisierbaren Produkten aufgewachsen sind, erwarten genau diese Konfigurierbarkeit auch von ihren Autos. Dass dies möglich ist, steht außer Frage. Echtzeitprozessoren wie der S32E und der S32Z von NXP bieten die notwendigen Verfeinerungen, die für eine Steuerung mit geringer Latenz und Störungsfreiheit erforderlich sind, um die Automobilindustrie beim Erreichen ihrer Ziele für das softwaredefinierte Fahrzeug zu unterstützen.