In diesem Blogbeitrag werden wir untersuchen, wie Autos – einst rein mechanische Geräte – durch die Integration von eingebetteten Systemen und Software elektronisch und intelligent geworden sind und wie sie sich bis 2026 zu softwaredefinierten Fahrzeugen weiterentwickeln werden.
Die grundlegenden Funktionen eines Autos sind: Vorwärtsfahren beim Betätigen des Gaspedals, Richtungswechsel beim Lenken und Anhalten beim Bremsen. Früher wurden die meisten Funktionen von rein mechanischen Bauteilen ausgeführt: Durch Drücken des Gaspedals wurde der Motor gestartet, durch Drehen des Lenkrads die Richtung der Räder geändert und durch Bremsen die Räder durch Reibung gestoppt. Heute entwickeln sich Autos jedoch von einfachen mechanischen Geräten zu Maschinen mit komplexen elektronischen Systemen und Software. Moderne Fahrzeuge helfen beim Halten eines konstanten Abstands zum vorausfahrenden Fahrzeug, unterstützen beim Einparken und nutzen verschiedene Sensoren, um die Umgebung und den Fahrzeugstatus zu überwachen – und liefern dem Fahrer Informationen oder steuern die Fahrzeugbewegung. Eines der Schlüsselelemente für diese Funktionen ist das im Auto installierte integrierte System.
Ein eingebettetes System ist ein Computersystem, das für einen bestimmten Zweck und begrenzte Funktionen ausgelegt ist. Ein typischer PC kann durch die Installation verschiedener Programme diverse Funktionen ausführen. Installiert man beispielsweise ein Textverarbeitungsprogramm, lassen sich damit Dokumente erstellen; installiert man ein Spiel, kann man ihn als Spielekonsole nutzen. Im Gegensatz dazu ist der in einem eingebetteten System integrierte Computer darauf ausgerichtet, die für ein bestimmtes Gerät oder System erforderlichen Funktionen auszuführen. Man könnte meinen, je mehr Funktionen ein Computer hat, desto besser. Nehmen wir jedoch einen Kühlschrank als Beispiel. Zwar werden in modernen Kühlschränken Computer verwendet, aber es ist nicht nötig, auf dem eingebauten Computer ein Textverarbeitungsprogramm auszuführen oder rechenintensive Spiele zu spielen. Durch die Reduzierung unnötiger Funktionen und die Konzentration auf die notwendigen Funktionen lassen sich Größe und Stromverbrauch des Geräts minimieren, und es kann seine vorgesehenen Funktionen zuverlässig und effizient erfüllen. Elektronische Komponenten wie eingebettete Computerchips bilden die Hardware eines eingebetteten Systems, während die darauf laufenden Programme die Software darstellen.
Warum also werden Autos mit Computern ausgestattet? Weil sie mit immer mehr elektronischen Geräten bestückt werden und gleichzeitig immer ausgefeiltere und intelligentere Steuerungssysteme benötigt werden. Im Gegensatz zu Allzweck-PCs benötigen Autocomputer zudem spezialisierte Systeme für bestimmte Aufgaben. Denn die Funktionen eines Autos sind nicht so stufenlos erweiterbar wie die eines Textverarbeitungsprogramms oder einer Videospielkonsole; sie sind vielmehr primär auf Fahr-, Sicherheits- und Komfortfunktionen ausgerichtet. Im Auto ist es entscheidend, Informationen wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Motorzustand, Batterie- und Kraftstoffstand sowie die Umgebung präzise zu erfassen und das Fahrzeug entsprechend zu steuern. Daher ist es vorteilhaft, eingebettete Systeme zu verwenden, die speziell für die Anforderungen und die Umgebung eines Autos entwickelt wurden, anstatt Allzweck-PCs einzusetzen.
Automobil-Systeme lassen sich anhand ihrer Funktionen in verschiedene Bereiche unterteilen, darunter Fahrwerk, Antriebsstrang, Karosserie und Multimedia. Im Bereich Fahrwerk werden Funktionen, die die Fahrzeugbewegung betreffen – wie Bremsen, Lenkung und Federung –, anhand verschiedener Daten gesteuert, darunter Fahrzeuggeschwindigkeit und Abstand zu anderen Fahrzeugen. Im Bereich Antriebsstrang steuern diese Funktionen die Krafterzeugung und -übertragung unter Berücksichtigung dieser Informationen sowie des Zustands von Motor, Getriebe und Batterie. Der Bereich Karosserie verwaltet Funktionen, die den Komfort und die Sicherheit von Fahrer und Passagieren betreffen, wie Sitze, Instrumententafel, Beleuchtung und Türen. Der Bereich Multimedia ist für Navigation, Telematik, Audio und Video sowie verschiedene Informations- und Kommunikationsfunktionen im Fahrzeug zuständig. Softwarebasierte Funktionen wie Fahrerassistenzsysteme, automatisiertes Fahren, Fahrzeugnetzwerke und Konnektivität gewinnen heutzutage zunehmend an Bedeutung.
Jedes dieser Systeme sammelt die notwendigen Informationen von Sensoren und anderen elektronischen Steuergeräten (ECUs), verarbeitet diese und reagiert situationsgerecht. Während Autos früher eher Maschinen glichen, die sich durch direkte Eingaben des Nutzers bewegten, haben sich Fahrzeuge mit eingebetteten Systemen zu aktiven Systemen entwickelt, die spezifische Funktionen basierend auf dem Fahrzeugzustand und der Umgebung ausführen können, selbst ohne direkte Eingriffe des Nutzers. Natürlich wäre es nicht ganz korrekt, solche Fahrzeuge sofort als Systeme künstlicher Intelligenz im selben Sinne wie menschliche Intelligenz zu bezeichnen; dennoch weisen sie deutliche Unterschiede zu den mechanischen Fahrzeugen der Vergangenheit auf, da sie Sensoren und Computer nutzen, um Situationen zu analysieren und Fahrzeugfunktionen auf Grundlage dieser Analysen zu steuern.
Damit ein Auto auf diese Weise „intelligent“ funktioniert, muss die Software des eingebetteten Systems stabil und ausgereift implementiert sein. Automobilsoftware ist nicht einfach ein einzelnes Programm, sondern in mehreren Schichten strukturiert. So kann sie die Hardware steuern, die Kommunikation verschiedener Softwarekomponenten ermöglichen und Anwendungsfunktionen ausführen. Früher wurde dies mit eingebetteten Betriebssystemen, eingebetteter Middleware und eingebetteter Anwendungssoftware erklärt. Das Betriebssystem stellt eine grundlegende Ausführungsumgebung bereit, die es Anwendungen ermöglicht, auf der Hardware zu laufen. Middleware abstrahiert die Unterschiede zwischen Anwendungen, Betriebssystem und Hardware oder stellt notwendige Dienste bereit. Die Anwendungssoftware führt die im Fahrzeug benötigten Funktionen aus. AUTOSAR, einer der führenden Standards für Automobilsoftware, hat sich ebenfalls weiterentwickelt, indem Software in mehrere Schichten und Komponenten unterteilt wurde, um Abhängigkeiten zwischen Hardware und Anwendungssoftware zu reduzieren und die Wiederverwendbarkeit und Interoperabilität von Software zu verbessern.
Das eingebettete Betriebssystem und die zugehörige Ausführungsumgebung bilden eine entscheidende Grundlage für den stabilen Betrieb von Fahrzeugsoftware. Ein Betriebssystem lässt sich als eine Art Laufzeitumgebung beschreiben, die die Ressourcen verwaltet, die für die Ausführung von Programmen – ob direkt vom Benutzer oder über verschiedene Fahrzeugsteuerungsprogramme – notwendig sind. Dieses Konzept lässt sich gut anhand eines Sportplatzes veranschaulichen. Ist der Platz in Bereiche für verschiedene Aktivitäten wie Basketball, Fußball und Laufen unterteilt und so organisiert, dass mehrere Personen gleichzeitig den benötigten Platz und die Zeit nutzen können, kann jede Aktivität effizient und ohne gegenseitige Störungen ablaufen. Ähnlich verwaltet ein typisches Betriebssystem mehrere Programme so, dass diese nicht miteinander in Konflikt geraten, Systemressourcen effizient nutzen und stabil laufen.
Software für eingebettete Systeme in Automobilen erfordert andere Eigenschaften als Programme für Standard-PCs. Insbesondere während der Fahrt treten häufig Situationen auf, in denen dringende oder kritische Informationen innerhalb eines festgelegten Zeitraums verarbeitet werden müssen. Daher sind in Automobilsystemen die Eigenschaften eines Echtzeitbetriebssystems (RTOS) – das spezifische Aufgaben innerhalb einer begrenzten Zeit bearbeiten kann – entscheidend. Das System muss zudem Eingaben verschiedener Sensoren und Steuergeräte korrekt verarbeiten können. Denn werden Informationen zu Geschwindigkeit, Lenkung, Bremsen und Fahrzeugstatus nicht rechtzeitig verarbeitet, können die Folgen über einfache Programmfehler hinausgehen und die Fahrzeugsicherheit direkt beeinträchtigen. AUTOSAR, der Softwarestandard für die Automobilindustrie, bietet eine Softwarearchitektur, die Echtzeitfähigkeit und Sicherheit basierend auf den Fahrzeugfunktionen und -anforderungen berücksichtigt. Die Classic Platform wird insbesondere für eingebettete Systeme mit strengen Echtzeit- und Sicherheitsanforderungen eingesetzt.
Die Entwicklung eingebetteter Betriebssysteme und Software für Automobile hat sich dank dieser Eigenschaften zu einem entscheidenden Bereich entwickelt, der die Fahrzeugleistung und -sicherheit unmittelbar beeinflusst. Während die Wettbewerbsfähigkeit eines Fahrzeugs früher maßgeblich von der mechanischen Leistung – wie Motor, Getriebe und Karosserie – abhing, haben sich heute elektronische Steuergeräte, Software, Fahrzeugnetzwerke, Sensoren und Rechenplattformen als zentrale Wettbewerbsfaktoren etabliert. AUTOSAR, der führende Standard für Automobilsoftware, wird seit 2003 von führenden Unternehmen der Automobil- und Softwareindustrie entwickelt, um einen offenen Standard für elektrische und elektronische (E/E) Architekturen im Automobilbereich zu schaffen. Aktuell bietet AUTOSAR neben der Classic Platform – entwickelt für mikrocontrollerbasierte Echtzeitsteuerung und Sicherheitsanforderungen – auch die Adaptive Platform für Anwendungen wie Hochleistungs-Steuergeräte und autonomes Fahren.
Insbesondere mit der zunehmenden Nutzung von Software in der Automobilindustrie hat die Rolle der Fahrzeugsoftware deutlich an Bedeutung gewonnen. Während früher typischerweise mehrere Steuergeräte (ECUs) für spezifische, relativ unabhängig voneinander arbeitende Funktionen zuständig waren, entwickeln sich die elektrischen und elektronischen Architekturen von Fahrzeugen heute hin zur Integration mehrerer Funktionen und der Nutzung von Hochleistungsrechnern. Folglich geht Fahrzeugsoftware über reine Steuerungsprogramme für spezifische Hardware hinaus; es wird immer wichtiger, eine Struktur zu haben, in der verschiedene Softwarekomponenten miteinander kommunizieren und Fahrzeugfunktionen kontinuierlich erweitern und verwalten können. AUTOSAR entwickelt neben der Classic Platform auch die Adaptive Platform für Hochleistungs-Steuergeräte und hat in letzter Zeit ausführbare Plattformen und zugehörige Technologien zur Unterstützung softwaredefinierter Fahrzeuge (SDVs) weiterentwickelt.
So wie Googles Android und Apples iOS im Smartphone-Markt, dessen Kern die Betriebssysteme bilden, miteinander konkurrieren, gewinnt auch in der Automobilindustrie die Bedeutung von Software und Betriebssystemen zunehmend an Bedeutung. Anders als Smartphones bestehen Automobile jedoch nicht ausschließlich aus Software. In Fahrzeugen muss Software mit verschiedenen Sensoren, Aktoren, Steuergeräten (ECUs), Fahrzeugnetzwerken sowie elektrischer und elektronischer Hardware zusammenarbeiten, und die Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit sind extrem hoch. Daher ist die Fähigkeit, Hardware und Software gemeinsam zu entwickeln und zu integrieren, in der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung. Die Entwicklung von AUTOSAR – einer standardisierten Schnittstelle, die Abhängigkeiten zwischen Anwendungen, Hardware und Steuergeräten reduziert und gleichzeitig die Wiederverwendbarkeit von Software erhöht – steht in direktem Zusammenhang mit diesen Anforderungen.
Da sich Südkoreas Automobil- und Elektronik-/IT-Industrie parallel entwickelt haben, dürfte sich das Land im Bereich eingebetteter Systeme für die Automobilindustrie einen bedeutenden Wettbewerbsvorteil sichern. Mit der Entwicklung von Automobilen von einfachen Maschinen zu Systemen, die elektronische Geräte und Software kombinieren, gewinnt die Konvergenz verschiedener Technologien – darunter nicht nur die Automobilfertigung, sondern auch Halbleiter, Sensoren, Kommunikationstechnik, Betriebssysteme, Softwareplattformen und künstliche Intelligenz – zunehmend an Bedeutung. Insbesondere im Zuge der Entwicklung zu softwaredefinierten Fahrzeugen wird die Fähigkeit, Fahrzeugfunktionen per Software zu implementieren und zu steuern, zu einem der Schlüsselfaktoren für die Wettbewerbsfähigkeit der Automobilindustrie. Wenn südkoreanische Automobilhersteller sowie Elektronik- und IT-Unternehmen ihre technischen Kompetenzen im Bereich Automobilsoftware und eingebetteter Systeme weiter ausbauen, können sie sich daher neue Wettbewerbsvorteile auf dem globalen Automobilmarkt erarbeiten.
Während ein Auto früher eine komplexe Maschine war, die primär von einem Motor und mechanischen Teilen angetrieben wurde, ähnelt es heute immer mehr einem riesigen Computersystem, in dem zahlreiche Sensoren, elektronische Steuergeräte, Kommunikationssysteme, Rechengeräte und Software miteinander vernetzt sind und zusammenarbeiten. AUTOSAR standardisiert derzeit verschiedene Bereiche der Automobilsoftware, darunter Kommunikation, Ausführungsumgebungen, Diagnose, Hardwareunterstützung, Software-Updates, Sicherheit und Speicherfunktionen. Die adaptive Plattform entwickelt sich parallel weiter, um Anwendungsbereiche mit hohem Rechenbedarf, wie beispielsweise das autonome Fahren, zu bedienen.
Letztlich bedeutet die Aussage „Das Auto ist zum Computer geworden“ nicht einfach nur, dass ein einzelner Computer im Fahrzeug installiert wurde. Vielmehr beschreibt sie, dass sich das Auto selbst in ein komplexes Elektronik- und Softwaresystem verwandelt, da die Bedeutung der Software – die die verschiedenen Fahrzeugfunktionen steuert und Informationen verarbeitet – stetig zunimmt. Um die zukünftige Entwicklung von Automobilen zu verstehen, müssen neben mechanischen Technologien wie Motoren und Karosserien auch Technologien wie eingebettete Systeme, Betriebssysteme, Softwareplattformen, Sensoren, Fahrzeugnetzwerke und künstliche Intelligenz betrachtet werden. Autos sind nicht mehr nur Maschinen, die Menschen an ihr Ziel bringen; sie entwickeln sich zu intelligenten Mobilitätssystemen, die ihre Umgebung wahrnehmen, Daten verarbeiten und verschiedene Funktionen mithilfe von Software ausführen.
