Ob elektrisch, autonom oder nicht: Moderne Fahrzeuge benötigen Energie und dies nicht nur, um ihre jeweiligen Zielorte zu erreichen. Integrierte Erkennungstechnologien gibt es mittlerweile schon in Fahrzeugen mittlerer Preisklassen und alle diese Systeme müssen natürlich mit Energie versorgt werden.
Mit modernen Systemen zur Fahrerunterstützung (Advanced Driver-Assistance Systems, ADAS), softwaregestützten Diagnosetechnologien und Unterhaltungssystemen, die heutzutage in den meisten Fahrzeugen bereits zur Standardausstattung gehören, werden Autos zu dem, was man gelegentlich als „Server auf Rädern“ bezeichnet. Man könnte sie auch als Cluster von Endpunkten verstehen, die Daten mit verschiedenen Arbeits- und Datenspeichern, Sensoren, Prozessoren und Netzwerkverbindungen innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs verarbeiten. Je autonomer das Fahrzeug, umso mehr intelligente Technologie arbeitet an Bord und umso mehr Komponenten sind erforderlich, damit alle diese Elemente schnell und zuverlässig zusammenarbeiten.
Alle diese Komponenten müssen schon für sich bestimmte Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit und den Energieverbrauch erfüllen, aber auch als Ganzes zusammenwirken können, ohne sich gegenseitig Ressourcen in einer Weise streitig zu machen, die die Leistung und funktionale Sicherheit des Fahrzeugs beeinträchtigen könnte.
Mehr Autonomie bedeutet mehr energiehungrige Komponenten
Die meisten neuen Fahrzeuge sind heute mit ADAS ausgestattet und dabei ist es wichtig zu wissen, dass das Wort „Systeme“ nicht ohne Grund hier im Plural gebraucht wird – es geht nicht nur um ein Gerät, sondern um mehrere, die miteinander zusammenarbeiten müssen.
Sofern ihr Auto nicht schon recht alt ist, hat es sicher eine Form von ADAS an Bord, das mit den sechs Ebenen der Fahrzeugautomatisierung verbunden ist. Ebene 0 – alles geschieht ausschließlich manuell. Ebene 1 bietet dem Fahrer eine gewisse Unterstützung, hauptsächlich in Form von Geschwindigkeitsregelung. Auf Ebene 2 sind Lenken und Beschleunigung teilweise automatisiert, der Fahrer bleibt jedoch für die Überwachung der Umgebung verantwortlich. Ab Ebene 3 nimmt der Grad der Automatisierung spürbar zu und das automatisierte System überwacht die Umgebung. Wir sind derzeit gerade bei Ebene 3, die Ebenen 4 und 5 sind gerade am Horizont zu sehen.
Bei den meisten Fahrern macht sich das ADAS durch Pieptöne beim Einparken oder bei der Annäherung an ein Objekt sowie eine Rückwärtsfahrkamera bemerkbar und die Geschwindigkeitsregelung ist mittlerweile schon eine Standardfunktion. Diese Funktionen erfordern Rechenleistung und Speicher sowie gute Konnektivität, um die Daten von der Kamera auf den Bildschirm zu bringen. Wichtiger noch: Die Systeme müssen reaktionsschnell sein und sofort starten können. Die meisten ADAS-Komponenten sind passiver Natur und tragen zur allgemeinen Zuverlässigkeit bei. Dazu gehören sich selbst reparierende Kondensatoren zur Unterstützung ausfallsicherer Spannungsversorgungen sowie Regler in Automobilschaltkreisen.
Je intelligenter eine Funktion ist, umso aktiver sind ihre Komponenten, wie Kameras, Sensoren und die verschiedenen Displays, die auf Computing-, Arbeits- und Datenspeicherkapazitäten basieren, die ihrerseits wiederum Energie verbrauchen und Wärme abgeben. Dies erfordert, den Energieverbrauch ausgewogen zu handhaben und die Wärmeabgabe in den griff zu bekommen.
Jenseits blinkender Leuchten
Nicht alle intelligenten Komponenten in modernen Fahrzeugen sind nur für den Fahrer gedacht. Aus der „Check Engine“-Leuchte ist mittlerweile eine Reihe von OBD (On-Board Diagnostics)-Systemen geworden, die ähnlich wie ADAS mittlerweile bei vielen Fahrzeugen schon zur Standardausstattung gehören, auch bei normalen Familienautos oder Kleintransportern. Hinter den Leuchten auf dem Armaturenbrett arbeiten immer komplexere Systeme, die den zustand des Fahrzeugs kontinuierlich überwachen und sogar Daten protokollieren. Heute müssen Mechaniker mindestens genau so häufig einen Laptop an ein Auto anschließen, wie sie unter die Haube blicken müssen. OBD-Systeme sind heutzutage von zentraler Bedeutung für die Wartung und die Reparatur von Fahrzeugen.
Ähnlich wie ADAS benötigen OBD-Systeme zahlreiche Komponenten und Elektronikelemente, die natürlich alle Energie verbrauchen. Im Mittelpunkt jedes OBD-Systems steht die elektronische Steuereinheit (Electronic Control Unit, ECU), die Daten von Sensoren überall im Fahrzeug erfasst und damit Teile des Fahrzeugs, wie etwa die Einspritzpumpen, steuert und alles auf Probleme überwacht.
Und genau wie ADAS dies für die Umgebung tut, verwendet das OBD-System Sensoren im gesamten Fahrzeug zur Überwachung der Elektronik, der Karosserie und des Motors. Natürlich werden nicht alle Daten gespeichert, dafür wäre zu viel Speicherkapazität erforderlich. Stattdessen bewahrt das System Informationen nur dann auf, wenn der Input außerhalb als normal definierter Bandbreiten liegt; dazu dient dann ein so genannter diagnostischer Fehlercode (Diagnostic Trouble Code, DTC). Ein DTC veranlasst, die ECU, ein Signal zu senden, das eine Warnleuchte aktiviert, so dass Sie wissen, dass es ein Problem gibt – wenn Sie so wollen, ein intelligenteres „Check Engine“-Signal. Moderne Indikatoren können nuanciert anzeigen, ob es sich um ein dringliches Problem handelt oder um eines, das noch warten kann.
Über die Fahrzeugdiagnose hinaus können OBD-Systeme Emissionsprüfungen und Telematik für ganze Flotten kommerzieller Fahrzeuge unterstützen, Informationen zur Kraftstoffeffizienz und zum Fahrerverhalten erfassen und Ferndiagnosen für präventive Wartungszeitpläne erstellen.
Fahrspaß braucht mehr Energie
ADAS und OBD-Systeme sind nur eine Hälfte des „Infotainments“, das heutzutage in den meisten Fahrzeugen zu finden ist. Unterhaltungssysteme bieten heute viel mehr als CDs und Radio. Zusätzlich zu integriertem GPS bieten immer mehr Autos Satellitenradio sowie die für Pannenhilfedienste erforderliche Konnektivität – oder Internetzugang für Beifahrer (auf optionaler Abonnementbasis). Größere Familienautos wie Minivans haben vielleicht sogar Bildschirme, auf denen jüngere Mitfahrer bei langen Fahrten Videos genießen können, und vielleicht kann das Auto auch eine eigene Musik- und Videoauswahl speichern, damit der Fahrer dafür unabhängig von seinem Smartphone ist.
Aufgrund solcher Systeme ist der Ausdruck „Server auf Rädern“ nicht wirklich treffend, man sollte vielleicht eher von einem „Cluster von Endpunkten“ sprechen. Endpunkte müssen natürlich verbunden sein, ob es sich um ein Speichergerät, eine Kamera oder ein Diagnosesignal handelt. Über diese Verbindungen werden ständig Daten ausgetauscht, ob innerhalb des Fahrzeugs oder mit externen Empfängern, und auch dies verbraucht Energie.
Konnektivität erhöht den Energieverbrauch
Für die Verbindungen zwischen den verschiedenen ADAS- und OBD-Elementen werden Hochfrequenz(RF)-Kondensatoren und -induktoren immer mehr durch Induktoren ersetzt, die zu elektrostatischen Entladungen fähig sind, da diese Funkverbindungen und Sensoren in ADAS-Designs stärken können – impulsfähige Integrationskondensatoren können in IR-Kameras, Stereo-Vision-Geräten und Spurhaltemodulen verwendet werden, um die Systemzuverlässigkeit zu erhöhen.
Die wichtigste Entwicklung für die Konnektivität in Fahrzeugen ist aber sicher 5G, das für intelligente Fahrzeuge, besonders für die autonomen Fahrzeuge der Zukunft, ganz unverzichtbar sein wird. Dies ermöglicht jetzt den Zugriff auf Telematikdaten im Fahrzeug zur Unterstützung von Flottenmanagement und Wartung. Wenn mehr Daten problemlos und schnell erfasst werden können, sind mehr Einblicke möglich, wovon Entwickler von Automobilsystemen, Flottenbetreiber und Fahrer gleichermaßen profitieren.
Konnektivität unterstützt auch ADAS, da die vom Fahrzeug selbst erfassten Daten durch externe Quellen ergänzt werden können, etwa aus der Cloud oder von anderen Fahrzeugen. Die höheren Geschwindigkeiten von 5G sind auch nötig, um autonomes Fahren wirklich möglich zu machen, wie auch für die erforderliche Sicherheit bei der Weitergabe von KI-Inferenzdaten und Softwareupdates, bei Bedarf natürlich in Echtzeit. Auch die Unterhaltungsfeatures für Fahrgäste profitieren von der 5G-Konnektivität, etwa für den Zugriff auf Abonnementinhalte über dieselben Netzwerkgeräte oder für essentiellere Datenservices ohne Beeinträchtigung von Leistung, Zuverlässigkeit oder gar Sicherheit.
Komponenten müssen einen Ausgleich zwischen Energieverbrauch und Leistung finden
Ob es um Computing, Arbeitsspeicher, Massenspeicher oder die Konnektivität für den Datenaustausch geht: Der Energieverbrauch ist immer äußerst wichtig. Prozessoren für datenintensive Vorgänge im Fahrzeug (etwa Computer Vision oder Deep Learning) müssen mit umfangreichen Datenströmen umgehen und diese in Echtzeit verarbeiten, wobei ganz bestimmte Energiebudgets einzuhalten sind. Prozessoren mit geringerem Energieverbrauch können auch den Bedarf an aktiver Kühlung vermindern oder ganz beseitigen.
Die Verwendung von ADAS-Ebene 2 und 3 zur Unterstützung von Funktionen wie der adaptiven Geschwindigkeitsregelung, des Spurhaltens, des automatischen Bremsens und von Fahrerüberwachungssystemen sorgt dazu auch für höheren Speicherbedarf in Fahrzeugen. Für kleinere Datenmengen, die in Fahrzeugen gespeichert werden müssen, bieten etablierte Speichertechniken wie NOR Flash schnelle Startfunktionen, so dass die Services sofort verfügbar sind, sobald der Fahrer das Auto startet, und keine Energie verbrauchen, wenn sie nicht benötigt werden.
Für Funktionen, die schnell verarbeitet werden müssen, aber höhere Speicherkapazitäten benötigen, können energieeffiziente Speicherlösungen wie LPDDR4X/5X den besten Ausgleich zwischen Energieverbrauch und Leistung bieten. Für autonome Fahrzeuge der Ebenen 4 und 5 sind modernere Verarbeitungsmodi erforderlich, da dort KI-fähige Anwendungen ausgeführt werden, die beides benötigen, obwohl GDDR6 für manche Anwendungen, die mehrere Bildschirme in Fahrzeugen unterstützen, eine gute Speicherlösung sein kann.
Konsolidierung führt zu besseren Energieverbrauchsprofilen
Da in modernen Fahrzeugen sehr viele Geräte betrieben werden, besteht stets das Risiko zunehmend fragmentierter Architekturen, weshalb es einen Trend hin zu einem einzigen Domain Controller für alle ECUs gibt; gleichzeitig nutzen Automobilkonstrukteure die Vorteile von Multi-Chip-Paketen für die Speicherung in einem einzigen optimierten Paket. Ein weiteres Konzept für die Konsolidierung von Systemen ist die Kombination der Datenspeicherung für kritische Systeme mit der für nicht-kritische Systeme, wobei ausreichend intelligente Funktionen dafür sorgen, Vorgänge entsprechend zu priorisieren.
Hier kommt NAND Flash ins Spiel; anstatt mehrerer diskreter eMMCs oder UFS Flash-Geräte wird die Speicherung durch die Nutzung von SSDs zentralisiert und konsolidiert, die Informationen speichern können, die für das Fahren unerlässlich sind, aber auch solche, die lediglich der Unterhaltung dienen. Infotainment-Systeme mit Karten bieten immer höhere Auflösungen und auch dies erhöht den Bedarf an Architekturen, die Computing und Speicher miteinander verbinden; dazu kommen erweiterte Flash-Kapazitäten für immer umfangreichere Datenprotokollierungen.
Neue Speichertechnologien verbrauchen immer weniger Energie und sind sehr vielversprechend für die Automobilindustrie. Integriertes MRAM kommt nachweislich mit der extremen Umgebung in einem Fahrzeug zurecht, während FRAM sehr gut für die nicht-flüchtige Datenprotokollierung mit hohen Geschwindigkeiten geeignet ist, wie sie in Automobilen benötigt wird.
Letztendlich sind die Energieverbrauchsprofile von Prozessoren, Arbeits- und Massenspeicher entscheidende Faktoren für die Entwicklung immer intelligenterer Fahrzeuge, besonders im Zusammenhang mit deren zunehmender Elektrifizierung. So wichtig wie der Kraftstoffverbrauch in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren ist auch die Energieeffizienz als Messwert für intelligentere Fahrzeuge, unabhängig von ihrer Energiequelle.
