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ISSCC 2016 in San Francisco: Baukasten zum autonomen Fahren

Das klassische Auto entwickelt sich vom fahrbaren Untersatz hin zu einem mobilen, personalisierten Informations-Hub, bei dem sich die elektronischen, mobilen Geräte der Nutzer nahtlos integrieren lassen, erklärte Lars Reger von NXP in seiner Keynote auf der ISSCC.

Lars Reger auf der ISSCC 2016 Bildquelle: © Elektronik/Stelzer

Lars Reger, CTO Automotive bei NXP Semiconductors: »Jedes Jahr sterben 1,3 Mio. Menschen im Straßenverkehr, mehr als 50 Mio. Personen werden ernsthaft verletzt und mehr als 90% dieser Unfälle sind auf menschliches Versagen zurückzuführen.«

Bald werden Fahrzeuge autonom fahren können, aber dazu muss der Baukasten noch mit einer Reihe von Technologien aufgefüllt werden.

Sensoren im Fahrzeug Bildquelle: © ISSCC/NXP

Eine Vielzahl von Sensoren liefert im Fahrzeug Daten, die dann zunächst aggregiert werden müssen, um daraus Aktionen abzuleiten.

Neunzig Prozent der Innovationen eines Fahrzeugs basieren heute auf Elektronik. Ein typisches Auto hat heute Elektronik im Wert von 799 Dollar, davon 535 Dollar an Halbleitern, an Bord. Bis 2022 soll dieser Gehalt auf 886 Dollar respektive 386 Dollar anwachsen, prognostizierte Lars Reger, CTO Automotive bei NXP Semiconductors [1] in Hamburg.

Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) steigern die Sicherheit von Fahrer und Passagieren und nehmen dem Fahrer immer mehr Aufgaben ab. Zur Realisierung eines vollständig autonom fahrenden Fahrzeugs braucht man Reger zufolge eine Reihe von »Enabling Technologies«: eine sichere Kommunikation von Fahrzeugen mit ihrer Umgebung (V2X), kostengünstige Radarsensorsysteme und ein leistungsfähiges Datennetz im Auto, Automotive Ethernet. 

Selbstfahrende Fahrzeuge werden eine Vielzahl von Funkschnittstellen integrieren, um Daten mit anderen Fahrzeugen oder der umgebenden intelligenten Verkehrsinfrastruktur auszutauschen. Ziele sind die Reduzierung von Abgasen, eine Optimierung der Verkehrsflüsse und die Vermeidung von Unfällen. Diese umfassende Vernetzung bringt jedoch auch Angriffsflächen für Hacker und Viren mit sich. Leistungsfähige und zuverlässige drahtlose und drahtgebundene Kommunikation in Verbindung mit einer leistungsfähigen Datenverarbeitung bei gleichzeitig höchsten Sicherheitsstandards sind unverzichtbar. 

Automotive Ethernet über UTP

Ethernet im Fahrzeug Bildquelle: © ISSCC/NXP

Mehr Verbindungen brauchen auch mehr Bandbreite für den Datenverkehr. Ethernet im Fahrzeug ist ein Lösungsansatz.

Für Anwendungen wie V2X und ADAS werden die bislang eingesetzten Bussysteme im Auto, wie CAN, Flexray und LIN nicht mehr ausreichen. Automotive Ethernet verspricht einen Ausweg. Dabei handelt es sich um ein im Fahrzeug verbautes Punkt-zu-Punkt-Kommunikationssystem über ungeschirmte verdrillte Zweidrahtleitungen (UTP), das zunächst eine Datenrate von 100 Mbit/s (100BASE-T1) bidirektional ermöglicht und bezüglich EMV und Robustheit den Vorgänger-Technologien nicht nachstehen darf, was die Implementierung nicht einfach macht. Gleichzeitig ist bereits ein Upgradepfad zu höheren Datenraten vorgezeichnet. Automotive Ethernet kann das nötige Backbone sein, mit dem sich autonomes Fahren und die umfassende Vernetzung von Fahrzeugen realisieren lässt, denn es bietet höhere Datenraten, eine höhere Kosteneffizienz sowie eine Gewichtsreduzierung. Marktforscher erwarten, dass bis 2023 in Fahrzeugen 162 Mio. Ethernet-Knoten verbaut sein werden, mit 242 Mio. Ethernet-Ports. 

Ethernet-Transceiver, Switches und Controller erlauben eine modulare Struktur, so dass Automobilhersteller flexibel und kosteneffizient vielfältige Netzwerkarchitekturen realisieren können, vom Kleinwagen bis zur Luxusklasse. Ethernet ermöglicht verteilte Netzwerkarchitekturen, die für das autonome Fahren und fortschrittliche Infotainmentsysteme Voraussetzung sind. Verteilte digitale Signalverarbeitung in Sensornähe kann sinnvoll sein, um das Netzwerk zu entlasten. Wichtig ist auch deterministische Kommunikation, gerade beim autonomen Fahren oder bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Funktionale Sicherheit. Sie gewährleistet eine hohe Verfügbarkeit im Fehlerfall, bei dem Systeme funktionstüchtig (fail-operational) bleiben müssen. Dazu gibt es Standards wie Time-Triggered-Ethernet, Audio-Video-Bridging (AVB) und Time-Sensitive-Networking (TSN). Gleichzeitig ist heute bereits absehbar, dass künftig höhere Datenraten gebraucht werden. Derzeit befindet sich der ebenfalls bidirektionale 1-Gbit/s-Standard (1000BASE-T1) beim IEEE in Definition und Standardisierung. Eine der ersten Anwendungen für Automotive Gbit/s-Ethernet dürfte die Objekterkennung sein, da für die Übertragung unkomprimierter Videosignale zur Auswerteeinheit eine höhere Bandbreite erforderlich ist. Auf längere Sicht dürfte der Bandbreitenbedarf bestimmter Anwendungen auch über Gbit/s-Ethernet hinausgehen. Reger hält mm-Wellen über Glasfaser für einen möglichen Kandidaten der Zukunft.