E/E-Architekturen für Automobile

Zonencontroller, Sensorfusion und KI

23. Juni 2022, 6:00 Uhr | Harry Schubert
Zonencontroller, Sensorfusion und KI
© Cadence

Die nächste Generation der Zonenarchitektur wird die Grundlage für autonome Fahrzeuge bilden. Diese elektrische/elektronische (E/E) Architektur basiert auf hochintegrierten Systems-on-Chip (SoC), die über fahrzeuginterne Netzwerke mit hoher Bandbreite verbunden sind.

Die Zonenarchitektur umfasst multifunktionale Zonencontroller, bei denen es sich um konfigurierbare Chips handelt, die für verschiedene Funktionen wie Kamera, Radar oder andere dedizierte Verarbeitungsaufgaben verwendet werden können. Die Zonencontroller sind über ein Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Backbone verbunden, um die Daten an eine (redundante) zentrale Recheneinheit zu übertragen. Gateways leiten die Daten zwischen dem Zentralrechner, den Zonencontrollern und Sensoren weiter, um eine hochauflösende (Roh-)Sensordatenverarbeitung zu ermöglichen.

Aufgrund der Nähe der Zonencontroller zu den Sensoren oder Aktoren, können diese über kurze Leitungen verbunden werden, wodurch sich eine höhere Bandbreite bei der Datenübertagung erreichen lässt. Da die Daten von Sensoren hauptsächlich in eine Richtung übertragen werden müssen, reicht auch eine asynchrone Datenübertragung anstelle der Vollduplex-Übertragung aus. Daher werden derzeit verschiedene Schnittstellenoptionen von Serialisierer/Deserialisierer (SerDes) wie PCIe, bis hin zu MIPI und Automotive Ethernet diskutiert, um Sensoren an Zonencontroller anzuschließen.

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Je nach Sensorkonfiguration und Fahrfunktionen kann die Zonenarchitektur an unterschiedliche Fahrzeugklassen angepasst werden, indem die Anzahl der Sensoren, Zonencontroller und Gateways entsprechend skaliert werden. Für Sensoranwendungen gibt es dabei verschiedene Möglichkeiten der Sensordatenverarbeitung – entweder am Sensor oder in der zentralen Recheneinheit. Bei smarten Sensoren erfolgt eine Datenvorverarbeitung direkt im Sensor oder im Zonencontroller. So lässt sich die Datenmenge, die an die zentrale Recheneinheit übertragen werden soll, erheblich reduzieren.

Bei der Rohdaten-Sensorfusion einschließlich KI erfolgt die gesamte Verarbeitung in der zentralen Recheneinheit, die dafür normalerweise eine Rechenleistung von mehreren hundert TOPS bereitstellt. Mit der Tensilica-AI-Plattform bietet Cadence einen KI-Beschleuniger, der von 0,25 bis zu hunderten von TOPS skaliert werden kann. Natürlich ist der Leistungsaufnahme der SoCs der zentralen Recheneinheit auch entsprechend hoch und kann im Bereich von 500 W liegen. Um die Wärme effizient abzuleiten, werden diese Chips mittels Wasserkühlung gekühlt. Da es sich hierbei um ein multiphysikalisches System handelt, ist eine elektrothermische Analyse einschließlich Computational Fluid Dynamics (CFD) für die Entwicklung, Analyse und die Optimierung erforderlich.

Durch die Integration mehrerer Funktionen in Hochleistungs-SoCs, können Auomobilhersteller mittels Zonenarchitekturen Steuergeräte konsolidieren und damit erheblich Kosten sparen.

Es gibt jedoch eine Reihe von Herausforderungen, die im Zusammenhang mit Zonnenarchitekturen gelöst werden müssen, wie z.B. eine sehr effiziente Sensor- und KI-Verarbeitung, Hochgeschwindigkeitsnetzwerke, Skalierbarkeit, Stromaufnahme, elektromechanische und thermische Optimierung, elektromagnetische Interferenz (EMI), funktionale Sicherheit, Kosten und mehr.

Demos am Cadence-Messestand auf der Embedded World 2022

Robert Schweiger, Director Automotive Solutions bei Cadence Design Systems
Ansprechpartner für Automotive-Themen am Cadence-Messestand: Robert Schweiger, Director Automotive Solutions bei Cadence Design Systems.
© Cadence

Unter dem Thema »Intelligent System Design« präsentiert Cadence auf der Embedded World an seinem Messyestand in Halle 4, Stand 122, fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Infotainment, Medizin, Audio und Systemanalyse multiphysikalischer Systeme. Gezeigt wird auch der neueste Tensilica DSP und Design-Tools für eine Vielzahl von Anwendungen:

  • ADAS: Tensilica-DSP-IP bietet Benutzerfreundlichkeit, wodurch die Entwicklungszeit von ADAS-Systemen mit hoher Leistung und geringer Stromaufnahme für Bildverarbeitungs- und KI-Anwendungen erheblich verkürzt wird.
  • Infotainment: Tensilica-HiFi-DSPs verbessern das Infotainment-Erlebnis durch immersiven Sound, KI-Spracherkennung, aktive Geräuschunterdrückung, Always-On-Sprachsteuerung und Digitalradio.
  • ECU/Automobil-Ethernet-Design: Cadence Sigrity Tools für die Signalintegritäts- (SI) und Leistungsintegritätsanalyse (PI) ermöglichen das Design und die Verifizierung von PCBs, ICs und die Simulation physikalischer Ethernet-Kanäle im Automobilbereich.
  • EMI/EMC: Der Cadence Clarity 3D Solver ist ein 3D-Softwaretool zur elektromagnetischen Simulation zum Entwerfen kritischer Verbindungen für PCBs, ICs, HF-/Mikrowellensysteme und SoCs. Der Clarity-3D-Solver bietet eine präzise EM-Extraktion und Simulationsanalyse, um sicherzustellen, dass das System unter vielfältigen Betriebsbedingungen funktioniert.
  • Elektrothermische Analyse: Cadence Celsius Thermal Solver ist das branchenweit erste vollständige elektrothermische Co-Simulationsprogramm für elektronische Systeme vom IC über das IC- Gehäuse bis hin zur Leiterplatte. Der Celsius Thermal Solver nutzt dabei eine innovative Multiphysik-Technik, um diese Herausforderungen zu adressieren. Durch die Kombination der Finite-Elemente-Analyse (FEA) für feste Strukturen mit CFD für Flüssigkeiten ermöglicht der Celsius Thermal Solver eine vollständige Systemanalyse in einem einzigen Tool.

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