Reihe: Embedded World – Die unsichtbaren Gehirne verstehen (Teil 12)

Im Herzen der Mobilität – Wie Embedded Systems das Auto zum Computer auf Rädern machen

Von DerSchneider

Einleitung: Das fahrende Rechenzentrum

Es war einmal ein Auto. Es hatte einen Motor, ein Getriebe, vier Räder und Lenkrad. Mechanik regierte die Welt. Wer etwas am Auto reparieren wollte, brauchte Schraubenschlüssel und Zangen – und vor allem Erfahrung mit dem Zusammenspiel beweglicher Teile.

Das ist lange her. Heute ist ein modernes Auto das komplexeste Embedded System, das die meisten Menschen besitzen. Unter dem Blech steckt ein Netzwerk aus über 100 Steuergeräten, verbunden durch kilometerlange Kabelbäume, gesteuert von mehreren hundert Millionen Zeilen Softwarecode. Ein moderner Oberklassewagen hat mehr Rechenleistung als die Raumfahrtmissionen der Apollo-Ära – und fährt damit zur nächsten Eisdiele.

Dieser Artikel taucht ein in diese verborgene Welt. Wir erkunden, wie die Elektronik ins Auto kam, welche Aufgaben die vielen Steuergeräte haben, wie sie miteinander kommunizieren und warum das Auto der Zukunft noch viel mehr Computer sein wird als heute.

Hauptteil

1. Eine kurze Geschichte der Automobilelektronik

Die erste Elektronik im Auto war unspektakulär: In den 1930er Jahren kamen Autoradios auf den Markt. Sie waren reine Unterhaltungselektronik, hatten nichts mit dem Fahren zu tun und wurden von den Autobauern meist ignoriert.

Der eigentliche Beginn der Automobilelektronik war die Abgasgesetzgebung. In den 1970er Jahren, vor allem in Kalifornien, wurden die Grenzwerte so streng, dass mechanische Systeme sie nicht mehr einhalten konnten. Die Antwort war die elektronische Motorsteuerung – der erste Embedded-Computer im Auto.

1977 brachte General Motors den ersten serienmäßigen Motorsteuerungscomputer auf den Markt. Er konnte nur wenige Parameter regeln, hatte 4 Kilobyte Speicher und rechnete mit 1 MHz Takt. Aber er war der Anfang.

In den 1980er Jahren kamen weitere Systeme hinzu: ABS (Antiblockiersystem), Airbag-Steuergeräte, elektronische Getriebesteuerungen. Jedes neue System bekam sein eigenes Steuergerät. Die Zahl wuchs: 10, 20, 50, heute oft über 100.

2. Das Nervensystem: Bussysteme im Auto

Mit der wachsenden Zahl von Steuergeräten entstand ein Problem: Wie sollten sie miteinander kommunizieren? Jede Verbindung einzeln zu verkabeln wäre ein unüberschaubarer Kabelbaum geworden.

Die Lösung hieß Bussysteme. Das wichtigste ist CAN (Controller Area Network), entwickelt von Bosch und 1986 vorgestellt. CAN ist ein robustes, fehlertolerantes Bussystem, bei dem alle Steuergeräte an zwei Drähten hängen und miteinander sprechen können.

Ein modernes Auto hat mehrere Busse:

• Antriebs-CAN: Für Motor, Getriebe, Bremse – hohe Geschwindigkeit, harte Echtzeit.
• Komfort-CAN: Für Fensterheber, Sitzverstellung, Klimaanlage – langsamer, weniger kritisch.
• Infotainment-Bus: Für Radio, Navigation, Telefon – hohe Datenraten, oft auf Ethernet-Basis.
• Diagnose-Bus: Für den Zugang von außen (OBD-Schnittstelle).

Dazu kommen LIN (Local Interconnect Network) für einfache, preiswerte Anbindung von Sensoren und Aktoren, FlexRay für sicherheitskritische Anwendungen (wie Steer-by-Wire) und inzwischen auch Automotive Ethernet für die hohen Datenraten moderner Assistenzsysteme.

3. Die Steuergeräte: Ein Zoo von Computern

Jedes Steuergerät (ECU – Electronic Control Unit) ist ein eigener kleiner Computer. Typische Vertreter:

Motorsteuergerät (ECM): Das Gehirn des Antriebs. Es berechnet Einspritzzeitpunkt, Zündwinkel, Ladungswechsel. Es muss tausende Male pro Sekunde neu rechnen, harte Echtzeit, extrem zuverlässig. Wenn es ausfällt, bleibt das Auto stehen.

ABS/ESP-Steuergerät: Überwacht die Raddrehzahlen, erkennt blockierende Räder oder schleudernde Fahrzeuge und greift blitzschnell ein – in Millisekunden. Es arbeitet mit hochpräzisen Drucksensoren und Magnetventilen.

Airbag-Steuergerät: Beschleunigungssensoren erkennen einen Aufprall innerhalb von Mikrosekunden. Das Steuergerät entscheidet, welche Airbags gezündet werden müssen – und zwar bevor der Fahrer überhaupt begreift, dass ein Unfall passiert ist.

Gateway: Ein spezielles Steuergerät, das die verschiedenen Busse verbindet. Es übersetzt zwischen den Protokollen und filtert Nachrichten.

Infotainment-Steuergerät: Ein ganz anderer Typ. Hier läuft oft Linux oder Android, mit großem Speicher, Grafikprozessor, Touchscreen-Anbindung. Es ist eher ein Tablet, das zufällig im Auto sitzt.

Türsteuergerät: Ein kleines, preiswertes Modul, das Fensterheber, Spiegelverstellung und Türschloss steuert. Oft über LIN angebunden.

4. Software: Die unsichtbare Wertschöpfung

In den 1970er Jahren war der Wert eines Autos zu 80 Prozent Mechanik und 20 Prozent Elektronik. Heute ist das Verhältnis umgekehrt – und der Anteil der Software wächst weiter.

Ein modernes Oberklasseauto hat über 100 Millionen Zeilen Code. Zum Vergleich: Ein Passagierflugzeug hat etwa 15 Millionen, das gesamte Android-Betriebssystem etwa 12 Millionen. Die Software ist der wertvollste Teil des Autos geworden.

Diese Software ist extrem verteilt. Jedes Steuergerät hat seine eigene Firmware, oft von verschiedenen Zulieferern, in verschiedenen Programmiersprachen, mit verschiedenen Versionen. Alles muss perfekt zusammenarbeiten.

5. Die Qualitätsansprüche: Anders als im Büro

Automobilsoftware hat Anforderungen, die in der Büro-IT unbekannt sind:

Temperatur: Das Steuergerät muss bei -40 Grad im Winter und +85 Grad im Motorraum funktionieren. Und das über 15 Jahre.

Vibration: Im Auto wird gerüttelt und geschüttelt. Keine Lötstelle darf brechen, kein Stecker sich lösen.

EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit): Im Auto sind Dutzende von Computern auf engstem Raum. Sie dürfen sich nicht gegenseitig stören. Und sie dürfen auch das Radio nicht stören.

Echtzeit: Ein ABS muss innerhalb weniger Millisekunden reagieren. Ein Motorsteuergerät berechnet den Einspritzzeitpunkt mit Mikrosekunden-Genauigkeit.

Sicherheit: Ein Softwarefehler im ABS kann tödlich sein. Deshalb gelten strenge Standards wie ISO 26262 (Funktionale Sicherheit).

Lebensdauer: Ein Auto wird 15-20 Jahre gefahren. Die Ersatzteilversorgung muss so lange sichergestellt sein. Chips, die heute verbaut werden, müssen in 20 Jahren noch verfügbar sein – oder durch kompatible ersetzt werden können.

6. Funktionale Sicherheit: ISO 26262

Angesichts der Risiken hat die Automobilindustrie einen eigenen Standard für funktionale Sicherheit entwickelt: ISO 26262.

Der Standard definiert Sicherheitsstufen (ASIL – Automotive Safety Integrity Level) von A (niedrig) bis D (höchste). Ein Airbag-Steuergerät hat ASIL D – der höchsten Stufe. Ein Türschloss vielleicht ASIL A.

Für jede Stufe schreibt der Standard vor, welche Maßnahmen in der Entwicklung nötig sind: Wie muss getestet werden? Welche Dokumentation ist erforderlich? Wie wird nachgewiesen, dass das System sicher ist?

Das bedeutet enormen Aufwand. Ein ASIL-D-Steuergerät zu entwickeln kostet ein Vielfaches eines einfachen Konsumgeräts. Aber es rettet Leben.

7. Trends: Das softwaredefinierte Fahrzeug

Die Automobilindustrie steht vor einem fundamentalen Wandel: vom Hardware-zentrierten zum softwaredefinierten Fahrzeug (Software-Defined Vehicle, SDV).

Bisher war ein Auto im Wesentlichen fertig, wenn es das Werk verließ. Die Software war fest einprogrammiert, Änderungen unmöglich.

Im SDV ist das anders:

• Updates über die Luft (OTA): Tesla macht es vor – neue Funktionen kommen per Funk ins Auto, ohne Werkstattbesuch.
• Funktionen auf Abruf: Die Hardware ist für viele Funktionen ausgelegt, der Kunde schaltet sie per Software frei (Sitzheizung, bessere Scheinwerfer, mehr Leistung).
• Cloud-Anbindung: Das Auto sammelt Daten, lernt daraus, verbessert sich.
• App-Ökosystem: Drittanbieter können Software für das Auto entwickeln.

Das erfordert eine völlig neue Architektur. Statt Dutzender spezialisierter Steuergeräte gibt es wenige leistungsstarke Zentralrechner (High-Performance Computer), auf denen die Anwendungen in virtuellen Maschinen laufen. Die Peripherie (Sensoren, Aktoren) wird über standardisierte Schnittstellen angebunden.

8. Herausforderungen: Sicherheit und Komplexität

Diese Entwicklung bringt neue Herausforderungen:

Sicherheit: Ein Auto, das per Funk Updates bekommt, ist angreifbar. Wenn ein Hacker das Bremssystem übernehmen kann, wird das Auto zur Waffe. Sicherheit muss von Grund auf mitgedacht werden.

Komplexität: Die Software wird immer komplexer. Wie testet man 100 Millionen Zeilen Code? Wie stellt man sicher, dass ein Update nicht das ABS lahmlegt?

Zertifizierung: Jedes Update müsste eigentlich neu zertifiziert werden. Das ist unmöglich. Neue Verfahren müssen her.

Datenhoheit: Wem gehören die Daten, die das Auto sammelt? Wer darf sie nutzen? Das ist nicht nur technisch, sondern auch rechtlich und ethisch eine Herausforderung.

9. Ein Blick in die Zukunft: Autonomes Fahren

Die Königsklasse der Automobilsoftware ist das autonome Fahren. Ein selbstfahrendes Auto muss seine Umgebung wahrnehmen (Kameras, Radar, Lidar), interpretieren, Entscheidungen treffen und handeln – alles in Echtzeit, zuverlässig, sicher.

Die Anforderungen sind enorm:

• Redundanz: Fällt ein Sensor aus, muss ein anderer einspringen. Fällt ein Computer aus, muss ein zweiter übernehmen.
• KI: Die Erkennung von Fußgängern, Radfahrern, Verkehrsschildern erfordert neuronale Netze, die in Echtzeit laufen.
• Kartendaten: Hochpräzise Karten, ständig aktualisiert.
• V2X-Kommunikation: Das Auto spricht mit Ampeln, anderen Autos, der Infrastruktur.

Hier verschmelzen alle Themen dieser Serie: Embedded Systems in ihrer komplexesten Form, mit Echtzeit, Sicherheit, Vernetzung, KI.

Fazit und Ausblick

Das Auto ist zum Computer auf Rädern geworden. Hunderte von Embedded Systemen arbeiten im Verborgenen, damit wir sicher und komfortabel von A nach B kommen. Die Software ist längst wertvoller als der Stahl, der das Auto zusammenhält.

Die Entwicklung ist noch lange nicht am Ende. Das softwaredefinierte Fahrzeug, das autonome Fahren, die Vernetzung mit der Infrastruktur – all das wird die Automobilindustrie in den nächsten Jahren fundamental verändern.

Im nächsten Artikel verlassen wir das Auto und wenden uns einem noch sensibleren Bereich zu: der Medizintechnik, wo Embedded Systems über Leben und Tod entscheiden.