spider-img

ZONALE EE-ARCHITEKTUREN IM AUTO
E/E Architecture

Laden Sie unser Whitepaper herunter
SOA for automotive - freedom

Was bedeutet “zonal” eigentlich?

Eine zonale EE Architektur ist ein Konzept, dass den technologischen Wandel in der Automobilindustrie adressiert. Die Anforderungen an das elektronische/elektrische (EE) System sind stark gestiegen, angetrieben durch Digitalisierung und Wünsche der Konsumenten. Immer mehr Elektronik und Funktionen halten Einzug ins Auto.

Kunden erwarten heute, dass ihr Fahrzeug ständig mit dem Internet verbunden ist und ein personalisiertes Fahrerlebnis samt moderner Unterhaltungsangebote bietet. Wie vom Smartphone gewohnt, sollen diese Funktionen durch Updates Over-the-Air komfortabel und sicher auf den aktuellen Stand gebracht werden können – am besten „on demand“ über einen App-Store im Fahrzeug.

Die mit dem Fahrzeug verbundenen Dienstleistungen und das Mobilitätserlebnis sind für moderne Verbraucher wichtiger als das Fahrzeug selbst.

Webinar: Transitioning to a Safe & Secure Zonal Architecture

Zonal E/E Architecture

Wechsel von einer CAN-Bus-Architektur zu einem modernen Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Netzwerk

Konsolidierung mehrerer Funktionen, die heute von separaten Steuergräten bereitgestellt werden, auf multifunktionalen ECUs

Konsolidierung von Steuergeräten und neue Topologien für Fahrzeugnetzwerke zur Reduzierung des Verkabelungsaufwands auf einen Bruchteil des bisherigen Umfangs.

Die Fahrzeugsoftware entwickelt sich hin zu modularer Software, um die für softwaredefinierte Fahrzeuge erforderliche Flexibilität, Sicherheit und Agilität gewährleisten zu können.

PERSPEKTIVEN NACH ZIELGRUPPEN

  • Auswirkungen der EE-Architektur
  • Auswirkungen auf das Geschäft
  • Auswirkungen auf die Industrie

Die aktuelle EE-Architektur hat ihre Skalierbarkeitsgrenze erreicht. Das speziell für die Automobilindustrie entwickelte Konzept der zonalen EE-Architektur führt zwei neue Geräteklassen ein, Fahrzeugserver und zonale Gateways. Zusammen mit dem Einsatz von Ethernet lässt sich so die Anzahl der physischen Steuergeräte reduzieren und die Verkabelung optimieren.

Der Fahrzeugserver konzentriert die Rechenressourcen, indem er mehrere physische Steuergeräte in einem Hochleistungsrechner konsolidiert.

Das zonale Gateway fungiert als lokaler Konnektivitäts-Hub, der Daten über eine Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Verbindung an den Backbone weiterleitet.

Die Verwendung eines Ethernet-Netzwerkes ermöglicht die Skalierbarkeit von Funktionalitäten und die flexible Austauschbarkeit von Komponenten. Die Autoindustrie kann somit Ineffizienzen in der Produktion reduzieren und gleichzeitig beliebig viele Netzwerkkonfigurationen einsetzen.

Zonale EE-Architekturen sind der Schlüssel für neue Innovationen und maßgeschneiderte Lösungen zur Befriedigung von anspruchsvollen Kundenbedürfnissen.

Die Komplexität der aktuelle EE-Architektur ist angesichts neuer Herausforderungen und Kundenwünsche nicht mehr zu vertreten.

Die Skalierbarkeit von Software-Komponenten und Funktionen ist der Schlüssel für zukünftige Erfolge: Fahrer werden zu Kunden von Services und Apps.

Das Konzept der zonalen EE-Architektur ist eine technische Weiterentwicklung hin zu einem modularen Netzwerk von multifunktionalen Steuergeräten für das softwaredefinierte Auto.

Diese Plattform überzeugt durch niedrige Kosten, hohe Zuverlässigkeit und Flexibilität. Sie ermöglicht den Paradigmenwechsel in der Automobilindustrie hin zu serviceorientierten Fahrzeugen, bei denen der Fahrer und seine Bedürfnisse im Mittelpunkt stehen – und wesentlich weniger das Fahrzeug selbst.

Moderne Konsumenten erwarten heute von ihrem Auto, dass es sicher ist und zusätzlich die neuesten Funktionen „on-demand“ und „over the air“ bietet.

Das Konzept der zonalen EE-Architektur ist eine technisch innovative Lösung für alle Anforderungen, die solche Funktionen in puncto Rechenleistung und Datenanbindung stellen.

Mit wachsender Skalierbarkeit durch Software wird sich die Branche dahingehend verändern, dass bestimmte Software-Komponenten ausschließlich abonnementbasiert angeboten und im Gegenzug über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeuges gepflegt und gewartet werden.

Hierdurch werden völlig neue, digitale Geschäftsmodelle möglich. Bereits in wenigen Jahren werden Autohersteller nicht mehr am Verkauf ihrer Fahrzeuge verdienen, sondern hauptsächlich an Diensten und Funktionen, die über Software bereitgestellt werden.

Verbraucher profitieren im Gegenzug davon, dass sich Software wesentlich leichter updaten lässt als Hardware. Anstatt das Fahrzeug zu wechseln, lassen sich Updates oder völlig neue Funktionen einfach online herunterladen – wie seit Jahren vom Smartphone gewohnt.

BAUMTOPOLOGIE – TECHNISCHES LAYOUT

  • logo Fahrzeugserver
  • logo Zonales Gateway

DIE GRENZE DER SKALIERBARKEIT

Bislang war es üblich, dutzende Steuergeräte in Fahrzeugen zu verbauen – für jede Komponente und jede Funktionalität eines, von der Tür bis zum Scheibenwischer. Damit diese Steuergeräte miteinander kommunizieren können, wurde der CAN-Bus (Controller Area Network) eingeführt. In einem aktuellen Premium-Fahrzeug sind bis zu 150 ECUs verbaut. Die Verkabelung all dieser Komponenten ist komplex, teuer und produziert sogar Platzprobleme, da das Kabel-Wirrwarr auch irgendwo im Auto untergebracht werden muss. Durch mehrere Netzwerkprotokolle und überlappende oder redundante Dienste wuchs auch der Softwarecode in Fahrzeugen auf bis zu 150 Millionen Codezeilen an.

Eine der größten Herausforderungen für moderne Fahrzeugnetzwerke ist die riesige Menge an Daten, die im Auto produziert werden. Bedingt durch das autonome Fahren sowie Fahrzeug-zu-Fahrzeug- und Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation wird die Datenmenge weiter exponentiell ansteigen. Manche Steuergeräte bieten heute das Rechenäquivalent von 20 Heimcomputern und verarbeiten bis zu 25 Gigabyte Daten pro Stunde, werden aber durch die CAN-Datenübertragungsrate von nur 1 Mbit/s eingeschränkt. Zu Hause oder im Büro sind Netzwerke mit einer Datenübertragungsrate von 1 Gbit/s bereits seit Jahren Standard.

FLACHE ARCHITEKTUR

Flat Architecture
logo

GATEWAY-ARCHITEKTUR

GATEWAY ARCHITECTURE
logo

DOMÄNENCONTROLLER-ARCHITEKTUR

DOMAIN CONTROLLER ARCHITECTURE
*LOGISCHE DARSTELLUNG, TECHNISCHES LAYOUT NICHT OPTIMIERT

UNSERE WURZELN LIEGEN IN DER LUFTFAHRT

Inspiration außerhalb der Autoindustrie

GuardKnox ist ein digitaler Vorreiter für Innovationen in der Automobilindustrie, da das Unternehmen seine Erfahrungen mit militärischen Systemen der israelischen Luftwaffe zu einem technologischen Konzept für moderne Fahrzeuge weiterentwickelt hat.

  • Hardware-Konsolidierung – leistungsstarke, modulare Computing-Systeme
  • Hardware-Konsolidierung – leistungsstarke, modulare Computing-Systeme
  • Mehr Funktionalitäten – Modulare Sofware-as-a-Service (SaaS)
logo

EE-ARCHITEKTUR DER NÄCHSTEN GENERATION

Grundlagen der zonalen EE-Architektur

Einführung zweier neuer Geräteklassen: Fahrzeugserver und zonales Gateway.

Hauptaufgabe

Konsolidierung/
Reduktion

Konnektivität und
Schnittstellen
Hauptmerkmal
Fahrzeugserver Anwendungshost mit gemischter Kritikalität Physikalische Steuergeräte Wenige High-Speed / Wenige Low-Speed Rechenleistung
Zonales Gateway Lokaler Konnektivitäts-Hub mit Edge Computing Verkabelung Viele Low-Speed / Legacy / Wenige High-Speed Konnektivität (Anzahl und Art der Schnittstellen) und Latenz

Die Computing-Plattform

Ein typischer Fahrzeugserver/Domänencontroller besteht aus zwei Ausführungsdomänen: Anwendung und Echtzeit.

  • Die Anwendungsdomäne basiert hauptsächlich auf einer durch Hardware erzwungenen logischen Grenze und ist die größte Domäne in Bezug auf die Software und damit die Funktionalität.
  • Bei der Echtzeitdomäne handelt es sich in der Regel um dedizierte Hardware, die ähnlich wie herkömmliche Steuergeräte arbeitet, wobei zeitkritische und sicherheitsrelevant Aufgaben getrennt von anderen Funktionalitäten bearbeitet werden.
Typischer Prozessortyp Laufzeit / Middleware Gehostete Anwendungen Ressourcenzuweisung
Anwendungsdomäne Mehrkern-Mikroprozessor RTOS + Hypervisor Beliebig Partitioniert
Echtzeitdomäne Lockstep-Mikrocontroller RTOS Zeitkritisch und sicherheitsrelevant Dediziert

Sicherheit als Grundstein

Die Branche begegnet den beiden Herausforderungen Sicherheit und Schutz durch Standardisierung:

  • ISO 26262: Funktionale Sicherheit für Automotive-Systeme
  • ISO 21434: Cybersecurity für die Automobilelektronik
Typischer Prozessor Laufzeit / Middleware Gehostete Anwendungen Ressourcenallokation
Anwendungsdomäne Mehrkern-Mikroprozessor RTOS + Hypervisor Beliebig Partitioniert
Echtzeitdomäne Lockstep-Mikroprozessor RTOS Zeitkritisch und sicherheitsrelevant Dediziert

DER ETHERNET-BACKBONE: DAS NERVENSYSTEM

Ethernet befreit die EE-Architektur von bestehenden Grenzen, reduziert die Komplexität und eröffnet neue Möglichkeiten.

Man unterscheidet drei verschiedene Netzwerkkonfigurationen:

Ringtopologie

Doppelt redundant, betriebssicher
Nachteil – höhere Latenz

https://www.guardknox.com/wp-content/uploads/2020/09/Ring-Logical-Topology.svg

Baumtopologie

Kompromiss zwischen Konsolidierung und Hops
Nachteil – Nur eine Verbindung zwischen den Servern (Risiko)

https://www.guardknox.com/wp-content/uploads/2020/09/Logical-Tree-Topology.svg

Sterntopologie

Maximale Konsolidierung und minimale Hops
Nachteil – Netzausfall bei Ausfall des Servers

https://www.guardknox.com/wp-content/uploads/2020/09/Logical-Star-Topology.svg

Hybride Topologie

Individuell anpassbar
Minimales Ausfallrisiko

https://www.guardknox.com/wp-content/uploads/2020/09/Logical-Hybrid-Topology.svg
  • logo Vehicle Server
  • logo Zonal Gateway

Grenzen überwinden

Der Umstieg von einer theoretischen Datenrate von 1 Mbit/s (CAN) auf echte 1.000 Mbit/s (Ethernet) ist eine technologische Herausforderung.

  • Ethernet-Controller sind wesentlich anspruchsvoller und komplexer als CAN-Controller.
  • Die Skalierung auf die über 1.000-fache Bandbreite erfordert größere Änderungen an der Hardware mit Mikroprozessoren und speziellen Hardware-Beschleunigern.
  • Auch die Peripherie, wie beispielsweise der Speicher, muss analog zur Rechenleistung mitwachsen.

DAS SOFTWAREDEFINIERTE FAHRZEUG

(Fast) alles ist Software

Zonale EE-Architekturen entkoppeln die Software vollständig von der physikalischen Hardware. Stattdessen werden Funktionalitäten als ein Ressourcenpool betrachtet, den es zu verteilen und mit Aufgaben zu versorgen gilt. Die Möglichkeiten moderner EE-Architekturen sind praktisch unbegrenzt. Sie eröffnet sogar neue Geschäftsmodelle, da Funktionen nicht mehr an das Fahrzeug gebunden sind, sondern sogar nachträglich durch Gebrauchtwagenkäufer nachgerüstet werden können.

Select your Driving Mode

IMPLIKATIONEN FÜR DIE BRANCHE

  • Die Auswirkungen auf
    die Automobilindustrie
  • Die neue Rolle der traditionellen
    Tier-1s und OEMs
  • Business Agility and
    Interchangeable Parts

Funktionalität als Service ist in der Autoindustrie eine radikal neue Denkweise, die ganz neue Geschäftsmodelle schafft. Der Fahrer wird zum Kunden für Services und Apps. Autos sind nicht länger nur ein Transportmittel von Punkt A nach Punkt B, sondern Teil eines Komplettpaketes an Dienstleistungen, das es individuell auf die Kundenbedürfnisse anzupassen gilt. Die Bedürfnisbefriedigung des Fahrers und der Passagiere steht nun wesentlich stärker im Mittelpunkt – wesentlich weniger das Auto selbst.

Weniger physische Hardwarekomponenten bedeuten weniger Projekte, was wiederum weniger Lieferanten und Anbieter bedeutet. Die Aufgaben in der klassischen Lieferkette werden für das softwaredefinierte Auto neu verteilt werden müssen. Geschäftsmodelle werden sich ändern und neue innovative Anbieter werden in den Markt eintreten. Die OEMs sind ein wichtiger Akteur in diesem Ökosystem, da sie für die nächste Fahrzeuggeneration deutlich mehr Rahmenbedingungen aus der Hardware- und Softwareperspektive definieren müssen, um auf die neuesten Technologien zurückgreifen zu können.

Um den Paradigmenwechsel in der Automobilindustrie erfolgreich gestalten zu können, müssen Hersteller, Zulieferer und der Aftermarket ihre Zusammenarbeit auf eine neue Stufe heben. Mit dem Wechsel zu softwarebasierten Funktionen entfallen große Teile der physischen Produktion und Lieferung von Komponenten. Es besteht so gut wie immer die Möglichkeit, schnell auf eine potenziell bessere und günstigere Lösung eines anderen Anbieters umzustellen – selbst noch nach Jahren der Produktion oder wenn das Fahrzeug bereits in den Händen des Kunden ist. Auch verlieren Fahrzeuge, die seitens des Herstellers über den gesamten Produktlebenszyklus noch neue Updates und Funktionen erhalten, weniger und langsamer an Wert, was wiederum gut für den Kunden ist. Die OEMs werden diese Perspektive sicherlich nutzen, um den Absatz in diesem für sie neuen Geschäftsfeld von Services und Apps voranzutreiben. Ähnlich zum Smartphone werden die Käufer eines Fahrzeuges zu Kunden von abonnementbasierten Services und Apps und bewirken damit regelmäßige Zahlungsströme über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg.

WER NICHT MIT DER ZEIT GEHT, GEHT MIT DER ZEIT

Die Zukunft der Mobilität

  • Das Auto wandelt sich vom reinen Transportmittel zu einer Mobilitätslösung, die flexibel und personalisierbar ist. Das bedeutet auch, dass das Auto gar nicht mehr individuell besessen werden muss. Vielmehr kann es auch „on demand“ als Fahrdienst, Auto-Abo oder Carsharing zur Verfügung stehen. Kundenzentrierung lautet der Schlüssel zum Erfolg. Besitzmodelle sind nur eine Möglichkeit von vielen.
  • Für die Autoindustrie ist es unabdingbar, sich mit diesen Themen auseinanderzusetzen, um die Kundenbedürfnisse in den kommenden Jahren erfüllen zu können.

FAZIT

The Evolutionary Arms Race
Design und technologische Herausforderungen

Längst vorbei sind die Zeiten, in denen Autos nur Waren oder Menschen von A nach B transportierten. Um die Mobilität der Zukunft zu gestalten und den grundlegenden Wandel in der Automobilindustrie zu bewältigen, muss die klassische Zulieferpyramide neu gedacht werden.

Autos sind heute softwaredefinierte Computer auf Rädern, auf denen Millionen von Codezeilen laufen. Den meisten Autoherstellern und Zulieferern fehlt jedoch das technologische Know-how, um diese neuen Technologien selbst entwickeln und produzieren zu können.

Unabhängig davon, welche Strategie ein Hersteller verfolgt – um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen sie ihre Kunden verstehen und sich an ihre Präferenzen anpassen, um die steigenden Erwartungen zu erfüllen.

Die dazu notwendigen Kompetenzen und Kapazitäten intern aufzubauen ist ein langwieriger und kostenintensiver Prozess und hemmt die schnelle und effiziente Fahrzeugentwicklung.

Bei der Umstellung auf eine zonale EE-Architektur gibt es eine Reihe von technologischen Herausforderungen:

Hardware
Konsolidierung

  • Isolierung
  • Plattform-Ansatz
  • Minimierung der Anzahl der Komponenten
  • Austauschbarkeit von Komponenten

Ethernet
Backbone

  • Computernetzwerk
  • Determinismus
  • Topologie-agnostisch

Serviceorientierte
Architektur (SOA)

  • Einfache Zertifizierung
  • Modulares Design
  • Wiederverwendbarkeit

WOLLEN SIE MEHR ERFAHREN?

Kontaktieren Sie uns und sprechen Sie noch heute mit einem unserer Spezialisten

Kontakt