Von Brian Carlson, Direktor für globale Lösungen und Produktmarketing, NXP Semiconductors
Original Equipment Manufacturers (OEMs) stehen bei komplexen Fahrzeugarchitekturen vor großen Herausforderungen. Einige High-End-Fahrzeuge verfügen heute über mehr als 100 Prozessoren, die alle ihre eigenen Netzwerk- und Verbindungsanforderungen mit Kombinationen aus CAN, LIN, FlexRay, Ethernet und Gigabit-Ethernet steuern. All dieses Netzwerk erfordert kilometerlange Kabel im Auto, was zu einem sehr komplexen Kabelbaum führt, der teuer ist und bis zu zwei Passagiere wiegen kann. Erstausrüster möchten die Topologie von Fahrzeugarchitekturen vereinfachen, um die Komplexität und Kosten von Stücklisten zu reduzieren. Sie wollen auch schnellere Innovationszyklen haben. Durch die Entwicklung von mehr softwaredefinierten Fahrzeugen anstelle des derzeitigen hardwareorientierten Ansatzes mit inkrementellen elektronischen Steuereinheiten (ECUs) mit fester Funktion können OEMs agiler sein und intelligente Upgrades in der Zukunft unterstützen.
Der Weg zu Domänen- und Zonenarchitekturen
Um diese Herausforderungen zu meistern und Ziele zu erreichen, stellen OEMs auf der ganzen Welt auf neue Architekturen um, die ECU-Funktionalität in leistungsfähigere Multi-Core-Prozessoren integrieren, die Software-Isolierung und Upgrade-Fähigkeit unterstützen. Diese Integration erfolgt sowohl logisch als auch physikalisch und in einigen Fällen mit einer Kombination aus beidem in derselben E/E-Architektur des Fahrzeugs. Die logische Integration organisiert Funktionen in Domänen, während die physische Integration Funktionen basierend auf ihrem Standort innerhalb des Fahrzeugs in Zonen organisiert.
Eine logische Integration erfolgt in den Funktionsbereichen Fahrdynamik, Fahrzeug-Karosserie-Schnittstelle und Komfort. Die Domäne Fahrzeugdynamik organisiert alle Funktionen rund um die Bewegung eines Autos und umfasst den Antriebsstrang, das Bremssystem, die Lenkung, die Aufhängung und das Fahrwerksmanagement. Mit der raschen Umstellung auf Elektrofahrzeuge (EVs) übernimmt dieser Bereich das komplexe Batterie- und Energiemanagement und steuert Wechselrichter für Elektromotoren. Durch die Integration dieser Funktionalität werden neue Antriebsdomänencontroller erstellt.
Die Fahrzeugnetzwerkdomäne verwaltet den Fahrzeugdatenstrom sicher als zentrales Gateway mit Cloud-Konnektivität und stellt eine stärker zentralisierte Datenverarbeitung für Fahrzeugdienste bereit. Die Integration dieser Funktionalität treibt leistungsfähigere serviceorientierte Gateways voran.
Der dritte Bereich ist Karosserie und Komfort, also die breite Schnittstelle, wie das Fahrzeug auf die Passagiere reagiert: Kollisionserkennung, Airbags, Motorsteuerung, Pumpen und Schalter, Klimaanlage sowie Innen- und Außenbeleuchtung. Durch die Integration dieser Funktionalität werden Body-Domain-Controller erstellt.
Die physische Integration in Zonen wird typischerweise als Zonencontroller an den vier Ecken des Fahrzeugs implementiert, die die Cross-Domain-Funktionalität handhaben, wobei jede Ecke ein redundantes Ethernet-Backbone hat, das mit einem zentralisierten Fahrzeugcomputer verbunden ist, der zentralisierte Fahrzeugsteuerung und -dienste bereitstellt. Zonensteuerungen erfordern möglicherweise eine Kombination aus Echtzeit- und Anwendungsverarbeitung, um notwendige funktionsübergreifende Funktionen wie Beleuchtung, Sensormanagement (Reifen, Radar, Bildgebung), Aufhängung, Wechselrichtersteuerung, Sicherheitssystem usw., Bremsen, Lenkung usw. bereitzustellen. innerhalb eines Fahrzeugbereiches. Zonencontroller erfordern in der Regel mehr Echtzeit-Multicore-Verarbeitung. Stattdessen würde der Computer des Fahrzeugs mehr Multicore-Anwendungsverarbeitung erfordern. Je nach Ansatz des OEMs kann jedoch auch eine Mischung aus Echtzeit- und Anwendungskernen verwendet werden.
Erstausrüster müssen sich mit Modularität und Flexibilität befassen, um diese neuen architektonischen Ansätze für Fahrzeuge zu nutzen. Modularität bietet Homogenität zwischen Systemelementen, indem dieselbe Hardware für verschiedene Aufgaben verwendet wird, wobei der Betrieb dieser Geräte durch die Software definiert wird. Die Flexibilität ermöglicht es, Fahrzeugsysteme im Laufe der Zeit über Over-the-Air (OTA)-Updates zu aktualisieren, um Softwarefehler zu beheben, Fahrzeugfunktionen zu verbessern oder neue hinzuzufügen. Etablierte, softwaredefinierte Steuergeräte, die im Laufe der Zeit aufgerüstet werden können, ermöglichen es den Automobilherstellern, ihre Fahrzeuge effektiver zu unterstützen.
Der Schlüssel, unabhängig von der architektonischen Ansatzdomäne, zoniert oder einer Mischung aus beiden, ist, dass zukünftige Fahrzeug-E/E-Architekturen grundlegend neue Prozessoren erfordern. Fahrzeugprozessoren müssen Echtzeit- und Anwendungs-Multi-Core-Verarbeitung unterstützen, um mehrere physische ECUs in in Software eingebettete virtuelle ECUs umzuwandeln. Der Wechsel von hardwarezentrierten zu softwaredefinierten Fahrzeugen vereinfacht Upgrades während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs. Vor fünf Jahren erkannte NXP, dass sich entwickelnde Software- und Netzwerkanforderungen traditionelle MCUs überflügeln würden, und reagierte darauf mit der Entwicklung der S32-Verarbeitungsplattform für die Automobilindustrie, um dieser Herausforderung gerecht zu werden.
Integration mit S32G-Fahrzeugprozessoren
Als Teil der S32-Plattform von NXP bietet die S32G-Prozessorfamilie eine konsistente und skalierbare Architektur, die eine Verarbeitungskonsolidierung im Fahrzeug ermöglicht. Mit Pin-kompatiblen Chips, die von einem Multicore-Mikrocontroller bis zu einer Kombination aus Multicore-Mikrocontrollern und Mikroprozessoren reichen, ermöglichen die S32G-Prozessoren neben anderen Fahrzeugfunktionen serviceorientierte Gateways, Domänencontroller, Sicherheitsprozessoren und Fahrzeugcomputer. Die Prozessoren unterstützen mehrere Anwendungen parallel mit Hardware-Isolierung. Jeder Prozessorkern kann nur auf seinen eigenen Speicher und hardwaregeschützte Peripheriegeräte zugreifen, verfügt jedoch über einen effizienten Mechanismus, um Daten bei Bedarf mit anderen Prozessoren zu teilen.
S32G-Prozessoren kombinieren sichere Anwendungsverarbeitung in Echtzeit mit integrierter Hardwaresicherheit, Netzwerkbeschleunigung und heterogenen Netzwerkschnittstellen im Fahrzeug. Leistungsstarke Multicore-Arm®-MCUs und -MPUs mit anwendungsspezifischer Netzwerkhardwarebeschleunigung, die Prozessoren entlastet, um wertvolle Dienste mit deterministischer Netzwerkleistung bereitzustellen, werden von OEMs in der komplexen Echtzeitumgebung moderner Fahrzeuge benötigt. Seine Hardware Security Engine (HSE) ermöglicht eine hochleistungsfähige integrierte Hardware-Sicherheitsbeschleunigung sowie die Unterstützung der Public Key Infrastructure (PKI) für eine vertrauenswürdige Schlüsselverwaltung. Die HSE mit Firewall ist die Vertrauensbasis, die sicheres Booten unterstützt, Systemsicherheitsdienste bereitstellt und vor Seitenkanalangriffen schützt.
Die Fähigkeiten von ASIL D, einschließlich Lockstep Arm® Cortex®-M7-Mikrocontrollerkernen und einer branchenweit ersten Fähigkeit, Gruppen von Arm Cortex-A53-Anwendungskernen zu sperren, ermöglichen es der Automobilsicherheit, neue Leistungsniveaus mit Betriebssystemen auf hoher Ebene und mehr Speicher zu unterstützen Unterstützung.
Der Wert der Verarbeitungsskalierbarkeit hat sich bei der beliebten S32G2-Serie mit vier kompatiblen Geräten gezeigt, die im zweiten Quartal 2021 in Produktion gingen, da OEMs sie in mehreren Schlüsselbereichen des Fahrzeugs mit unterschiedlichen Verarbeitungsanforderungen genutzt haben. Der S32G234M mit drei Double-Step (loclstep) Cortex-M7-Kernen ist für Echtzeit-Embedded-Anwendungen verfügbar. Für Anwendungen, die zusätzlich zur Echtzeitverarbeitung eine Anwendungsverarbeitung erfordern, bieten die Modelle S32G233A, S32G254A und S32G274A ein höheres Leistungsniveau mit bis zu vier Cortex-A53-Kernen, um die Integration von Fahrzeuganwendungen und -diensten zu ermöglichen.
Wegbereiter für softwaredefinierte Fahrzeuge
Die Umstellung auf softwaredefinierte Fahrzeuge erfordert schnellere und leistungsfähigere Prozessoren. Um die Entwicklung der Automobilindustrie mit hoher Geschwindigkeit zu unterstützen, hat NXP seine S32G-Familie mit der Einführung der S32G3-Serie um vier erste Geräte erweitert, die mehr Leistung, Speicher und Netzwerkfähigkeiten bieten. Diese Geräte sind software- und pinkompatibel mit der S32G2-Serie und bieten 1,33-mal mehr Echtzeitverarbeitung, 2,6-mal mehr Anwendungsverarbeitung, 2,5-mal mehr Ethernet-Bandbreite an zwei Ports, 2-mal mehr Domänenisolation, 2-mal mehr L2-Cache und 2,5-mal mehr On-Chip-Speicher als das derzeit leistungsstärkste S32G2-Gerät, das S32G274A. Die S32G-Familie verfügt jetzt über eine breite Palette von 8 kompatiblen Prozessoren, die eine Größenordnung der Verarbeitung abdecken. Durch die Footprint-Kompatibilität können OEMs eine Integrationsplattform entwerfen, die mit der Modularität und Flexibilität skaliert werden kann, die für neue Fahrzeug-E/E-Architekturen erforderlich sind. Die S32G3-Serie unterstützt Entwickler bei der weiteren ECU-Konsolidierung mit softwaredefinierten virtuellen Fahrzeug-ECUs.
Schon heute zukünftige Fahrzeugarchitekturen adressieren
Das S32G-Prozessorportfolio trägt zum Übergang von konventionellen Fahrzeugarchitekturen zu Domänen- und Zonenarchitekturen bei, die von OEMs verwendet werden, um die Herausforderungen zu meistern und softwaredefinierte Fahrzeuge zu ermöglichen. Durch die Verfügbarkeit dieses skalierbaren Portfolios an Softwarekompatibilität und Pin-Paketen bietet der S32G OEMs viele Möglichkeiten zur Wiederverwendung und Flexibilität bei der Softwareentwicklung und Platzierung ihrer Anwendung an verschiedenen Stellen im Fahrzeug.
S32G-Prozessoren sind mit Referenzdesign- und Evaluierungsboards sowie mit robusten GoldBox-Plattformen für die Fahrzeugintegration kompatibel. Eine breite Palette von Enablement-Software, einschließlich der S32G Vehicle Integration Platform (GoldVIP), beschleunigt Kundenbewertung, Entwicklung, Machbarkeitsnachweis und Markteinführungszeit. Darüber hinaus verfügt NXP über ein breites und wachsendes Ökosystem von Partnern, die Betriebssysteme, Virtualisierung, Ausführungsumgebungen, Anwendungssoftware, Boards, Softwaretools, Engineering-Services, eingehende Schulungen und Cloud-Services anbieten.
