Compliance-Test-Spezifikationen
Teststandards für OpenGMSL
Der Erfolg des softwaredefinierten Fahrzeugs hängt von offenen Standards, robuster Cybersicherheit und enger Zusammenarbeit innerhalb der Branche ab. Neue SerDes-Standards wie OpenGMSL bieten vielversprechende Lösungen; sie benötigen aber klar definierte Testmethoden und Compliance-Rahmenwerke.
Bei der Einführung des SDV gewinnen Fahrzeuge durch die Verlagerung der Intelligenz in die Software an Skalierbarkeit und Flexibilität. Sie stehen jedoch auch vor neuen Herausforderungen beim Entwurf der E/E-Architektur. Da Sensoren und Displays täglich Terabytes an Daten generieren, sind schnellere Netzwerke und Hochleistungsrechner unerlässlich.
Für die Einführung des neuen SerDes-Standards OpenGMSL arbeitet die Branche aktiv an der Entwicklung einer formalen Konformitäts-Testspezifikation (Compliance Test Specification, CTS). Diese CTS wird die Testmodi, Grenzwerte und Implementierungsmethoden (Method of Implementation, MOI) definieren, die zur Validierung der Leistung und Interoperabilität zwischen verschiedenen Anbietern erforderlich sind. Außerdem wird sie es Ingenieuren ermöglichen, Sicherheitsmargen zu quantifizieren und fundierte Entscheidungen über Kompromisse zu treffen. Besonders wichtig ist das in der Automobilbranche, wo Signalintegrität, EMI-Störfestigkeit und funktionale Sicherheit unter realen Bedingungen validiert werden müssen.
Die Entwicklung eines CTS für OpenGMSL ist zwar noch im Gange, doch stützt sich der Ansatz auf bewährte Methoden aus anderen Bereichen der Hochgeschwindigkeits-Digitaltechnik. Ziel ist es, ein skalierbares und herstellerneutrales Testökosystem zu schaffen, das Innovation und Interoperabilität in Fahrzeugnetzwerken der nächsten Generation fördert.
Warum Standardisierung wichtig ist
Bei der Standardisierung von Tests geht es nicht nur um die Einhaltung von Vorschriften, sondern auch darum, Skalierbarkeit zu ermöglichen, Kosten zu senken und Innovationen zu beschleunigen. Eine klar definierte Testspezifikation ermöglicht:
die Korrelation von Messungen über verschiedene Testanbieter hinweg
rückverfolgbare Ergebnisse, die verglichen, validiert und reproduziert werden können
formelle Compliance-Programme, die die Interoperabilität zwischen Halbleiterherstellern, Tier-1-Zulieferern und OEMs gewährleisten.
Bild 1. SerDes nutzt, wie andere Technologien auch, ein OSI-Modell, um die Interaktionen zwischen den Schichten zu definieren. Alle Schichten sind erforderlich, damit das System ordnungsgemäß funktioniert.
Das siebenschichtige OSI-Modell (Bild 1) ist ein grundlegendes Konzept zur Definition von Kommunikationsnetzwerken. Es bietet einen strukturierten Ansatz für Interoperabilität und ermöglicht so die nahtlose Kommunikation komplexer Systeme. Das OSI-Modell ist zwar allgemein gehalten, wird jedoch bei jeder technologischen Umsetzung an die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst. Trotz dieser Unterschiede bleibt das Prinzip unverändert: Jede Schicht ist auf das ordnungsgemäße Funktionieren der darunterliegenden Schichten angewiesen.
Betrachtet man die SerDes-Standards, so endet das OSI-Modell im Wesentlichen auf der Ebene des nativen Protokolls (Bild 2). Darunter übernimmt eine Anpassungsschicht die Paketierung der Daten zum und vom nativen Protokoll. Auf der Datenverbindungsschicht werden physikalische Kanäle mehreren logischen Ports zugeordnet, was eine effiziente Datenübertragung zur und von der Bitübertragungsschicht ermöglicht.
Bild 2. Darstellung der Anpassung des SerDes-spezifischen OSI-Modells. Die Anpassung an das native Protokoll und zurück umfasst die Paketierung der Daten, während auf der Datenverbindungsschicht eine physikalische Lane mehreren logischen Ports zugeordnet wird und umgekehrt.
Wie bei jedem Standard liegt der Schwerpunkt zunächst auf der Bitübertragungsschicht, genauer gesagt unterhalb der physikalischen Codierungsschicht (PCS) und oberhalb der medienabhängigen Schnittstelle (MDI). Je nach Definition der Messebene kann dies die Schnittstelle PMA (Physical Medium Attachment) oder PMD (Physical Medium Dependent) betreffen (Bild 3).
Auf der Bitübertragungsschicht bedeutet Konformität, dass am Sender bestimmte Kennzahlen zur Signalqualität eingehalten werden müssen, wie beispielsweise die spektrale Leistungsdichte, der Jitter sowie das Signal-Rausch-Verhältnis und das Verzerrungsverhältnis. Am Empfänger müssen die Bitfehlerraten innerhalb festgelegter Grenzwerte gehalten werden, um eine Fehlerausbreitung in höhere Schichten wie der Datenverbindungsschicht oder dem nativen Protokoll zu verhindern. Diese Anforderungen setzen fortschrittliche Entzerrungs-, Taktrückgewinnungs- und Fehlerkorrekturtechniken voraus, die alle für die Technologie und das Design von zentraler Bedeutung sind.
Bild 3. Die Bitübertragungsschicht ist das primäre Ziel der ersten Testspezifikationen in jedem neuen Standard, je nach Definition der Messebene entweder im PMA oder im PMD.
Erfahrungen aus dem Bereich Ethernet
Die Entwicklung von Automotive Ethernet ist ein Paradebeispiel für erfolgreiche Standardisierung. Durch die Festlegung spezifischer Spezifikationen für die Bitübertragungsschicht, Konformitätstests und Interoperabilitätsanforderungen hat sich Automotive Ethernet als zuverlässiges Rückgrat für Fahrzeugnetzwerke etabliert. Dabei orientiert sich Automotive Ethernet an Vorbildern aus anderen Branchen, wie beispielsweise PCIe (Peripheral Component Interconnect Express), USB und DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random-Access Memory). Dadurch wurden standardisierte Tests ermöglicht und robuste Ökosysteme gefördert, in denen verschiedene Anbieter zuverlässig interoperable Komponenten entwickeln können.
Man nehme DDR als Beispiel. Es gab zahlreiche Weiterentwicklungen, die die Geschwindigkeit erhöhten und den Strombedarf senkten, wobei jede davon mit zusätzlichen Herausforderungen einherging, darunter geringere Design-Sicherheitsmargen, Signalintegrität und Interoperabilität.
Die Vorteile der Standardisierung von DDR und LPDDR im Überblick:
Skalierbarkeit: Steigert Leistung und Effizienz und ermöglicht im Vergleich zu älteren oder proprietären Versionen eine schnellere Datenübertragung und eine höhere Bandbreite.
Anpassungsfähigkeit: Durch Standardisierung entsteht ein flexibler Technologie-Stack, der eine kontinuierliche Verbesserung und Weiterentwicklung ohne häufige Erneuerungen ermöglicht. Oft wird auch die Abwärtskompatibilität als Vorteil genannt.
Interoperabilität: Bietet einen gemeinsamen Rahmen für hersteller- und systemübergreifende Tests und vereinfacht die Integration durch die Gewährleistung der Kompatibilität.
Effizienz: Reduziert den Zeit- und Ressourcenaufwand für Tests und ermöglicht so kürzere Entwicklungszyklen und eine schnellere Markteinführung neuer Produkte.
Qualitätssicherung: Einheitliche Teststandards tragen dazu bei, branchenweit ein hohes Qualitätsniveau aufrechtzuerhalten und Fehler und Ausfälle zu minimieren.
Zukunftssicherheit: Stellt sicher, dass das Design von Speichersystemen so gestaltet ist, dass es künftigen technologischen Fortschritten und sich wandelnden Anforderungen gerecht wird.
Konsistenz: Stellt sicher, dass Tests in verschiedenen Umgebungen und auf unterschiedlichen Geräten einheitlich durchgeführt werden, was zu konsistenten Ergebnissen und Leistungskennzahlen führt.
Die Evolution von DDR und LPDDR hat die Entwicklung fortschrittlicher Teststrategien notwendig gemacht, um den immer enger werdenden Toleranzbereich und komplexe Signalumgebungen zu meistern. Diese Methoden, die im Laufe jahrelanger Zusammenarbeit in Normungsgremien entwickelt wurden, sind mittlerweile von grundlegender Bedeutung für die Gewährleistung von Interoperabilität und Leistung (Bild 4). Heute bieten sie einen Leitfaden für das Testen neuer SerDes-Technologien in Automobilsystemen.
Bild 4. Ein anschauliches Beispiel dafür, wie Akteure aus der gesamten Branche zusammenarbeiten, um robuste Testframeworks zu entwickeln.
Technische Herausforderungen im Automotive-Bereich
Zwar gibt es viele Gemeinsamkeiten zwischen Rechenzentren und der Automotive-Branche, doch ergeben sich auch einzigartige Herausforderungen und Risiken.
Signalintegrität des Kanals: Was ist gut genug? Wie viel Verlust ist tolerierbar? Kabelbäume in Fahrzeugen können bis zu 15 Meter lang sein. Es muss ein standardisiertes Verfahren zum Testen von Kabelbäumen geben, um sicherzustellen, dass die Sensorinformationen den zentralen Rechner erreichen. Kanalmessungen wie Einfügungsdämpfung und Rückflussdämpfung sind für jedes Fahrzeugnetzwerk von entscheidender Bedeutung.
Variabilität bei Steckverbindern und Kabeln: Da es keinen standardisierten Steckverbinder für die Automobilindustrie gibt, erfolgt die Validierung für eine Vielzahl von Steckverbindertypen, Kabellängen und Abschirmungskonfigurationen. Im Laufe der Zeit können Verschleiß und wiederholter Gebrauch die Leistung beeinträchtigen; daher ist eine umfassende Charakterisierung der Baugruppe entscheidend, um die Einhaltung der Spezifikationen sicherzustellen.
EMI-Störfestigkeit: Fahrzeugumgebungen weisen elektrische Störungen auf, weshalb die EMI-Störfestigkeit einen entscheidenden Faktor bei der Systemvalidierung darstellt. Vor dem Betrieb müssen die Komponenten unter simulierten Hochlastbedingungen getestet werden. So wird beispielsweise die Robustheit des Empfängers bewertet, indem kalibrierte Störpegel eingespeist werden, die reale elektrische Störungen nachahmen, während gleichzeitig die Genauigkeit der Symbol-Taktung überwacht wird, um die Zuverlässigkeit der Leistung sicherzustellen.
Funktionale Sicherheit: Funktionen wie Stream-Duplizierung und Daisy-Chaining müssen gründlich getestet werden, um Redundanz und Fehlertoleranz gewährleisten zu können, insbesondere bei ADAS- und autonomen Fahrsystemen.
Diese Herausforderungen erfordern präzise, reproduzierbare und skalierbare Testmethoden, die idealerweise herstellerunabhängig sind und auf Industriestandards basieren. Die Identifizierung und Definition der dynamischen Eigenschaften von Störungsquellen in der Fahrzeugumgebung ist dabei eine Sache. Sie in einer Testumgebung nachzubilden, um die Robustheit der Bitübertragungsschicht des Geräts zu überprüfen, ist jedoch eine ganz andere Sache. Auch muss bedacht werden, dass die Kosten eines Ausfalls in Automotive-Anwendungen deutlich höher sind als der Verlust von Frames in einem PCIe- oder DDR-Rechenzentrum.
Da OpenGMSL zunehmend Verbreitung findet, ist ein robustes CTS unerlässlich, um eine konsistente Leistung und Interoperabilität zu gewährleisten. Durch die Nutzung der Erfahrungen aus anderen Bereichen der Hochgeschwindigkeits-Digitaltechnik kann die Automotive-Branche ein skalierbares, zuverlässiges Testökosystem aufbauen, das die nächste Generation softwaredefinierter Fahrzeuge unterstützt.
Ein Blick in die Zukunft
Die Zukunft der Konnektivität im Fahrzeug wird geprägt sein von:
mehr Sensoren mit höherer Auflösung
höherer Datendurchsatz und höhere Bandbreite in zonalen Architekturen
Zusammenfassung von Sensordaten auf weniger Kommunikationskanälen
offene Ökosysteme, die die Interoperabilität verschiedener Anbieter unterstützen
Um diese Zukunft zu gestalten, setzt Keysight auf standardisierte Tests als grundlegendes Element der Fahrzeugarchitektur und des E/E-Designs. Ob es darum geht, die Linearität von PAM-N-Signalen zu validieren, die Einhaltung der Norm ISO 26262 sicherzustellen oder Messungen verschiedener Anbieter miteinander abzugleichen – das Ziel bleibt dasselbe: zuverlässige, skalierbare und sichere Kommunikationssysteme für die nächste Fahrzeuggeneration zu entwickeln.
