Von DerSchneider<\/strong><\/p>\n\n\n\n Einleitung: Das fahrende Rechenzentrum<\/strong><\/p>\n\n\n\n Es war einmal ein Auto. Es hatte einen Motor, ein Getriebe, vier R\u00e4der und Lenkrad. Mechanik regierte die Welt. Wer etwas am Auto reparieren wollte, brauchte Schraubenschl\u00fcssel und Zangen \u2013 und vor allem Erfahrung mit dem Zusammenspiel beweglicher Teile.<\/p>\n\n\n\n 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 \u00fcber 100 Steuerger\u00e4ten, verbunden durch kilometerlange Kabelb\u00e4ume, gesteuert von mehreren hundert Millionen Zeilen Softwarecode. Ein moderner Oberklassewagen hat mehr Rechenleistung als die Raumfahrtmissionen der Apollo-\u00c4ra \u2013 und f\u00e4hrt damit zur n\u00e4chsten Eisdiele.<\/p>\n\n\n\n Dieser Artikel taucht ein in diese verborgene Welt. Wir erkunden, wie die Elektronik ins Auto kam, welche Aufgaben die vielen Steuerger\u00e4te haben, wie sie miteinander kommunizieren und warum das Auto der Zukunft noch viel mehr Computer sein wird als heute.<\/p>\n\n\n\n Hauptteil<\/strong><\/p>\n\n\n\n 1. Eine kurze Geschichte der Automobilelektronik<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die erste Elektronik im Auto war unspektakul\u00e4r: 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.<\/p>\n\n\n\n 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 \u2013 der erste Embedded-Computer im Auto.<\/p>\n\n\n\n 1977 brachte General Motors den ersten serienm\u00e4\u00dfigen 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.<\/p>\n\n\n\n In den 1980er Jahren kamen weitere Systeme hinzu: ABS (Antiblockiersystem), Airbag-Steuerger\u00e4te, elektronische Getriebesteuerungen. Jedes neue System bekam sein eigenes Steuerger\u00e4t. Die Zahl wuchs: 10, 20, 50, heute oft \u00fcber 100.<\/p>\n\n\n\n 2. Das Nervensystem: Bussysteme im Auto<\/strong><\/p>\n\n\n\n Mit der wachsenden Zahl von Steuerger\u00e4ten entstand ein Problem: Wie sollten sie miteinander kommunizieren? Jede Verbindung einzeln zu verkabeln w\u00e4re ein un\u00fcberschaubarer Kabelbaum geworden.<\/p>\n\n\n\n Die L\u00f6sung hie\u00df Bussysteme. Das wichtigste ist CAN (Controller Area Network), entwickelt von Bosch und 1986 vorgestellt. CAN ist ein robustes, fehlertolerantes Bussystem, bei dem alle Steuerger\u00e4te an zwei Dr\u00e4hten h\u00e4ngen und miteinander sprechen k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n Ein modernes Auto hat mehrere Busse:<\/p>\n\n\n\n Dazu kommen LIN (Local Interconnect Network) f\u00fcr einfache, preiswerte Anbindung von Sensoren und Aktoren, FlexRay f\u00fcr sicherheitskritische Anwendungen (wie Steer-by-Wire) und inzwischen auch Automotive Ethernet f\u00fcr die hohen Datenraten moderner Assistenzsysteme.<\/p>\n\n\n\n 3. Die Steuerger\u00e4te: Ein Zoo von Computern<\/strong><\/p>\n\n\n\n Jedes Steuerger\u00e4t (ECU \u2013 Electronic Control Unit) ist ein eigener kleiner Computer. Typische Vertreter:<\/p>\n\n\n\n Motorsteuerger\u00e4t (ECM):<\/strong> Das Gehirn des Antriebs. Es berechnet Einspritzzeitpunkt, Z\u00fcndwinkel, Ladungswechsel. Es muss tausende Male pro Sekunde neu rechnen, harte Echtzeit, extrem zuverl\u00e4ssig. Wenn es ausf\u00e4llt, bleibt das Auto stehen.<\/p>\n\n\n\n ABS\/ESP-Steuerger\u00e4t:<\/strong> \u00dcberwacht die Raddrehzahlen, erkennt blockierende R\u00e4der oder schleudernde Fahrzeuge und greift blitzschnell ein \u2013 in Millisekunden. Es arbeitet mit hochpr\u00e4zisen Drucksensoren und Magnetventilen.<\/p>\n\n\n\n Airbag-Steuerger\u00e4t:<\/strong> Beschleunigungssensoren erkennen einen Aufprall innerhalb von Mikrosekunden. Das Steuerger\u00e4t entscheidet, welche Airbags gez\u00fcndet werden m\u00fcssen \u2013 und zwar bevor der Fahrer \u00fcberhaupt begreift, dass ein Unfall passiert ist.<\/p>\n\n\n\n Gateway:<\/strong> Ein spezielles Steuerger\u00e4t, das die verschiedenen Busse verbindet. Es \u00fcbersetzt zwischen den Protokollen und filtert Nachrichten.<\/p>\n\n\n\n Infotainment-Steuerger\u00e4t:<\/strong> Ein ganz anderer Typ. Hier l\u00e4uft oft Linux oder Android, mit gro\u00dfem Speicher, Grafikprozessor, Touchscreen-Anbindung. Es ist eher ein Tablet, das zuf\u00e4llig im Auto sitzt.<\/p>\n\n\n\n T\u00fcrsteuerger\u00e4t:<\/strong> Ein kleines, preiswertes Modul, das Fensterheber, Spiegelverstellung und T\u00fcrschloss steuert. Oft \u00fcber LIN angebunden.<\/p>\n\n\n\n 4. Software: Die unsichtbare Wertsch\u00f6pfung<\/strong><\/p>\n\n\n\n In den 1970er Jahren war der Wert eines Autos zu 80 Prozent Mechanik und 20 Prozent Elektronik. Heute ist das Verh\u00e4ltnis umgekehrt \u2013 und der Anteil der Software w\u00e4chst weiter.<\/p>\n\n\n\n Ein modernes Oberklasseauto hat \u00fcber 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.<\/p>\n\n\n\n Diese Software ist extrem verteilt. Jedes Steuerger\u00e4t hat seine eigene Firmware, oft von verschiedenen Zulieferern, in verschiedenen Programmiersprachen, mit verschiedenen Versionen. Alles muss perfekt zusammenarbeiten.<\/p>\n\n\n\n 5. Die Qualit\u00e4tsanspr\u00fcche: Anders als im B\u00fcro<\/strong><\/p>\n\n\n\n Automobilsoftware hat Anforderungen, die in der B\u00fcro-IT unbekannt sind:<\/p>\n\n\n\n Temperatur:<\/strong> Das Steuerger\u00e4t muss bei -40 Grad im Winter und +85 Grad im Motorraum funktionieren. Und das \u00fcber 15 Jahre.<\/p>\n\n\n\n Vibration:<\/strong> Im Auto wird ger\u00fcttelt und gesch\u00fcttelt. Keine L\u00f6tstelle darf brechen, kein Stecker sich l\u00f6sen.<\/p>\n\n\n\n EMV (Elektromagnetische Vertr\u00e4glichkeit):<\/strong> Im Auto sind Dutzende von Computern auf engstem Raum. Sie d\u00fcrfen sich nicht gegenseitig st\u00f6ren. Und sie d\u00fcrfen auch das Radio nicht st\u00f6ren.<\/p>\n\n\n\n Echtzeit:<\/strong> Ein ABS muss innerhalb weniger Millisekunden reagieren. Ein Motorsteuerger\u00e4t berechnet den Einspritzzeitpunkt mit Mikrosekunden-Genauigkeit.<\/p>\n\n\n\n Sicherheit:<\/strong> Ein Softwarefehler im ABS kann t\u00f6dlich sein. Deshalb gelten strenge Standards wie ISO 26262 (Funktionale Sicherheit).<\/p>\n\n\n\n Lebensdauer:<\/strong> Ein Auto wird 15-20 Jahre gefahren. Die Ersatzteilversorgung muss so lange sichergestellt sein. Chips, die heute verbaut werden, m\u00fcssen in 20 Jahren noch verf\u00fcgbar sein \u2013 oder durch kompatible ersetzt werden k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n 6. Funktionale Sicherheit: ISO 26262<\/strong><\/p>\n\n\n\n Angesichts der Risiken hat die Automobilindustrie einen eigenen Standard f\u00fcr funktionale Sicherheit entwickelt: ISO 26262.<\/p>\n\n\n\n Der Standard definiert Sicherheitsstufen (ASIL \u2013 Automotive Safety Integrity Level) von A (niedrig) bis D (h\u00f6chste). Ein Airbag-Steuerger\u00e4t hat ASIL D \u2013 der h\u00f6chsten Stufe. Ein T\u00fcrschloss vielleicht ASIL A.<\/p>\n\n\n\n F\u00fcr jede Stufe schreibt der Standard vor, welche Ma\u00dfnahmen in der Entwicklung n\u00f6tig sind: Wie muss getestet werden? Welche Dokumentation ist erforderlich? Wie wird nachgewiesen, dass das System sicher ist?<\/p>\n\n\n\n Das bedeutet enormen Aufwand. Ein ASIL-D-Steuerger\u00e4t zu entwickeln kostet ein Vielfaches eines einfachen Konsumger\u00e4ts. Aber es rettet Leben.<\/p>\n\n\n\n 7. Trends: Das softwaredefinierte Fahrzeug<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die Automobilindustrie steht vor einem fundamentalen Wandel: vom Hardware-zentrierten zum softwaredefinierten Fahrzeug (Software-Defined Vehicle, SDV).<\/p>\n\n\n\n Bisher war ein Auto im Wesentlichen fertig, wenn es das Werk verlie\u00df. Die Software war fest einprogrammiert, \u00c4nderungen unm\u00f6glich.<\/p>\n\n\n\n Im SDV ist das anders:<\/p>\n\n\n\n Das erfordert eine v\u00f6llig neue Architektur. Statt Dutzender spezialisierter Steuerger\u00e4te gibt es wenige leistungsstarke Zentralrechner (High-Performance Computer), auf denen die Anwendungen in virtuellen Maschinen laufen. Die Peripherie (Sensoren, Aktoren) wird \u00fcber standardisierte Schnittstellen angebunden.<\/p>\n\n\n\n 8. Herausforderungen: Sicherheit und Komplexit\u00e4t<\/strong><\/p>\n\n\n\n Diese Entwicklung bringt neue Herausforderungen:<\/p>\n\n\n\n Sicherheit:<\/strong> Ein Auto, das per Funk Updates bekommt, ist angreifbar. Wenn ein Hacker das Bremssystem \u00fcbernehmen kann, wird das Auto zur Waffe. Sicherheit muss von Grund auf mitgedacht werden.<\/p>\n\n\n\n Komplexit\u00e4t:<\/strong> Die Software wird immer komplexer. Wie testet man 100 Millionen Zeilen Code? Wie stellt man sicher, dass ein Update nicht das ABS lahmlegt?<\/p>\n\n\n\n Zertifizierung:<\/strong> Jedes Update m\u00fcsste eigentlich neu zertifiziert werden. Das ist unm\u00f6glich. Neue Verfahren m\u00fcssen her.<\/p>\n\n\n\n Datenhoheit:<\/strong> Wem geh\u00f6ren die Daten, die das Auto sammelt? Wer darf sie nutzen? Das ist nicht nur technisch, sondern auch rechtlich und ethisch eine Herausforderung.<\/p>\n\n\n\n 9. Ein Blick in die Zukunft: Autonomes Fahren<\/strong><\/p>\n\n\n\n Die K\u00f6nigsklasse der Automobilsoftware ist das autonome Fahren. Ein selbstfahrendes Auto muss seine Umgebung wahrnehmen (Kameras, Radar, Lidar), interpretieren, Entscheidungen treffen und handeln \u2013 alles in Echtzeit, zuverl\u00e4ssig, sicher.<\/p>\n\n\n\n Die Anforderungen sind enorm:<\/p>\n\n\n\n Hier verschmelzen alle Themen dieser Serie: Embedded Systems in ihrer komplexesten Form, mit Echtzeit, Sicherheit, Vernetzung, KI.<\/p>\n\n\n\n Fazit und Ausblick<\/strong><\/p>\n\n\n\n Das Auto ist zum Computer auf R\u00e4dern geworden. Hunderte von Embedded Systemen arbeiten im Verborgenen, damit wir sicher und komfortabel von A nach B kommen. Die Software ist l\u00e4ngst wertvoller als der Stahl, der das Auto zusammenh\u00e4lt.<\/p>\n\n\n\n Die Entwicklung ist noch lange nicht am Ende. Das softwaredefinierte Fahrzeug, das autonome Fahren, die Vernetzung mit der Infrastruktur \u2013 all das wird die Automobilindustrie in den n\u00e4chsten Jahren fundamental ver\u00e4ndern.<\/p>\n\n\n\n Im n\u00e4chsten Artikel verlassen wir das Auto und wenden uns einem noch sensibleren Bereich zu: der Medizintechnik, wo Embedded Systems \u00fcber Leben und Tod entscheiden.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Im Herzen der Mobilit\u00e4t \u2013 Wie Embedded Systems das Auto zum Computer auf R\u00e4dern machen Von DerSchneider Einleitung: Das fahrende Rechenzentrum Es war einmal ein Auto. Es hatte einen Motor, ein Getriebe, vier R\u00e4der und Lenkrad. Mechanik regierte die Welt. 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