(408) 844-7100 Das Internet der Autos ist mit Silizium gepflastert
EETimes
21. September 2021
Technologen überstrapazieren oft Worte wie "disruptiv" und "revolutionär", aber die jüngste Entwicklung der Automobilkonstruktion und -herstellung ist zweifellos sowohl disruptiv als auch revolutionär. Diese Veränderungen stellen den bedeutendsten Umbruch im Transportwesen der letzten 100 Jahre dar, den größten Fortschritt seit den Anfängen des Automobils, als sich Dampf-, Benzin- und sogar batteriebetriebene Fahrzeuge auf denselben staubigen Straßen tummelten. Das gesamte Auto wird überarbeitet, dieses Mal mit Elektronik, um Autos zu Supercomputern auf Rädern zu machen.
Ein BMW-Ingenieur beklagte, dass sein Team Jahrzehnte damit verbracht hat, Autos mit hervorragender Handhabung und Leistung zu entwickeln, aber das erste, was die Käufer wissen wollen, ist, ob das Fahrzeug mit ihrem Mobiltelefon kompatibel ist. Sie können die Frustration der traditionellen Autodesigner verstehen, wenn Elektronik und Software das mechanische Design als Auswahlkriterium der Kunden ersetzen.
Es ist kein Zufall, dass Mercedes-Benz, Nissan, Volvo und andere in ihren Werbespots die kabellosen Ladegeräte für Mobiltelefone, die volldigitalen Armaturenbretter, die Kollisionsvermeidungssysteme und die 24-Kanal-Stereoanlagen ihrer Autos hervorheben. Niemand erwähnt Pferdestärken, Drehzahlen, Fahrverhalten, Handling oder sogar "reiches korinthisches Leder". Selbst in der Werbung für Ford Trucks wird die Anzahl der 12-V-Steckdosen und der eingebaute Generator angepriesen, nicht aber die Ladekapazität oder die Anhängelast des Trucks. GVWR (maximales Gesamtgewicht) ist Teraflops und MHz gewichen.
Elektromotoren, selbstfahrende Technologien, Infotainment-Elektronik, abonnementbasierte Dienste, drahtlose Updates nach dem Kauf und die aufkommende Fahrzeug-zu-Alles-Kommunikation haben die Nachfrage nach Halbleiterchips und Software exponentiell ansteigen lassen. Branchenanalysten betrachten die Automobilelektronik inzwischen als eine eigene Kategorie, eine Subindustrie für sich, wie die Computerindustrie oder die Luft- und Raumfahrt.
Wohin soll das alles führen? Die jetzt obligatorische Anbindung an das Internet und an Cloud-Rechenzentren verlagert die Kernkompetenzen der Autohersteller von der mechanischen Konstruktion zu Software und Silizium. Das Internet der Autos wird nicht mit Benzin oder gar Strom betrieben, sondern mit Daten. Diese Daten werden von System-on-Chip (SoC)-Halbleitern erfasst, verarbeitet, kommuniziert und gespeichert.
Auto-SoCs treiben die Nachfrage an
Die Automobilhersteller der Welt produzieren jedes Jahr etwa 100 Millionen Autos und Lastwagen. Nach Angaben des Marktforschungsunternehmens IHS Markit (Okt. 2020) wird mehr als die Hälfte davon bis 2026 15-24 komplexe elektronische SoC-Bausteine enthalten, durchschnittlich 23 SoCs pro Fahrzeug. Multiplizieren Sie diese 23 SoCs mit etwa 60 Millionen Autos, und Sie kommen auf fast anderthalb Milliarden komplexe SoCs pro Jahr allein für den Automobilmarkt - und das ist nur fünf Jahre in der Zukunft. Bis Anfang der 2030er Jahre, also in 10 Jahren, wird die Nachfrage auf über 2 Milliarden komplexe Automobil-SoCs steigen.
Das Internet der Autos ist die größte Chance für Halbleiter seit dem Smartphone. Ein Teil des Siliziums fließt in die vielbeachtete Selbstfahrtechnologie der fortschrittlichen Fahrerassistenzsysteme (ADAS). Der größte Teil fließt jedoch in Infotainment und Telematik, also in die vertrauten und weit verbreiteten Funktionen fast aller Autos: Radio, GPS-Navigation, elektronische Instrumente, Integration von Mobiltelefonen, Motormanagement und so weiter. All diese Funktionen sind ein Muss auf einem Automobilmarkt, der von der Nachfrage der Verbraucher bestimmt wird - daher auch die Werbespots für Autos mit vielen Funktionen.
Aber diese Technologie gilt nur für die Autos selbst - die "Endpunkte" im Fachjargon. Was ist mit der Infrastruktur dahinter? Automobilhersteller benötigen riesige Räume voller Computerserver, nicht anders als Amazon, Google, Facebook oder Microsoft.
Wenn wir von einem Server pro 200 Autos ausgehen, sind das 300.000 Server pro Jahr. Darüber hinaus bauen die Kommunen rund um den Globus ihre Infrastruktur aus. Bereits jetzt werden Millionen von Verkehrssignalen, Autobahnschildern, Kameras, Straßenlaternen, straßenseitigen Sensoren und Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Netzwerken mit "Smart City"-Technologie ausgestattet, unterstützt von unzähligen Kilometern verkabelter und drahtloser Zugangspunkte. Die Autos werden untereinander und mit straßenseitigen Basisstationen kommunizieren, um latenzabhängig zu reagieren. Für all dies wird zusätzliches Silizium benötigt.
Und dann ist da noch die Software. Konservativen Schätzungen zufolge umfasst der Software-Stack im Auto etwa 30 Millionen Codezeilen. (Zum Vergleich: ältere Versionen von Microsoft Windows hatten etwa 50 Millionen Codezeilen). Manche Schätzungen gehen von über 100 Millionen Zeilen für ein neues Auto mit allem Drum und Dran aus. In jedem Fall handelt es sich um ein komplexes, vernetztes, hochzuverlässiges Multiprozessorsystem.
Die Zuverlässigkeit der Hardware ist von entscheidender Bedeutung, da die Automobilhersteller für gefährliche Ausfälle rechtlich haftbar gemacht werden können. Chipdesigner reagieren darauf mit Ausfallsicherheit und funktionaler Redundanz, bei der ein SoC zwei oder mehr interne Prozessoren hat, die nebeneinander laufen und sich ständig gegenseitig überprüfen. Dies führt zu noch mehr Silizium und mehr Komplexität im SoC-Design.
Obwohl handelsübliche Chips oft ausreichen, können die Autohersteller mehr Leistung aus ihrer Hardware herausholen und ihre Software differenzieren, wenn sie ihre eigenen Chips entwickeln. Bildverarbeitende neuronale Netzwerke benötigen beispielsweise sehr spezifische Machine-Learning-Funktionen, die groß und komplex sind. Ein Beispiel für eine solche Entwicklung ist der neueste Tesla Dojo SoC, der Millionen von Videos aus der Tesla-Flotte in neuronale Lernnetze umwandelt, um das Nutzererlebnis beim automatisierten Fahren zu verbessern.
Entscheidungssysteme in der Automobilindustrie funktionieren am besten mit vollständig kundenspezifischen Chips oder mit Blöcken aus geistigem Eigentum (IP), die in semi-custom Chips integriert sind. Das bedeutet, dass viele der 2 Milliarden SoCs, die Anfang der 2030er Jahre auf den Markt kommen, ganz oder teilweise an die Anforderungen des neuen automobilen Ökosystems angepasst sein werden.
Automobilunternehmen auf der ganzen Welt wollen ihre eigenen Lösungen entwickeln. Deshalb arbeiten viele, wenn nicht sogar die meisten, mit Unternehmen wie uns (Arteris), Arm und CEVA zusammen - Unternehmen, die IP für SoCs lizenzieren. Unsere Einschätzung, wohin sich der Automobilmarkt entwickelt, basiert auf unserer Erfahrung aus mehr als einem Jahrzehnt Zusammenarbeit mit mehr als 30 Kunden aus der Automobilbranche.
Daten sind König
Es ist schwer zu sagen, ob der Aktienkurs von Tesla über- oder unterbewertet ist, aber es ist unbestreitbar, dass das Unternehmen ein Beispiel für den "Electronics-first"-Ansatz im Automobilbau ist. Es ist kein Zufall, dass die Marktkapitalisierung von Tesla so bewertet wird, als wäre es ein Technologieunternehmen aus dem Silicon Valley. Nach dem Vorbild vieler Unternehmen der Unterhaltungselektronik entwirft das Unternehmen viele seiner Chips und entwickelt seine Software. Seine Kernkompetenz liegt in der Elektronik, nicht im Biegen von Metall. Das Unternehmen verwaltet auch seine Server in den Rechenzentren. Die Autos sind ständig mit dem Internet und den Servern von Tesla verbunden, wobei riesige Datenmengen in beide Richtungen fließen, in Form von Karten, Unterhaltungsprogrammen, Verkehrsinformationen, visuellen Daten, die von den Sensoren an Bord gesammelt werden, und Software-Updates. Diese Daten sind für Tesla von immensem Wert, und andere Internet of Cars-Unternehmen - also alle - werden ähnliche Systeme aufbauen müssen.
Mobileye ist ein weiteres Beispiel für ein Unternehmen, das die Daten seiner Kunden nutzt, um seine Technologie auf der Grundlage modernster Software, SoC-Silizium und maschineller Lernverfahren ständig zu verbessern. Die Automobilhersteller stellen natürlich nicht alles von Grund auf neu her, sondern verlassen sich auf gut etablierte Netzwerke von Zulieferern und Erstausrüstern - Bosch, Continental, Denso, ZF, Magna und viele andere -, die wichtige Subsysteme entwickeln und bauen. Dabei handelt es sich hauptsächlich um elektromechanische Geräte, wie Automatikgetriebe oder Klimaanlagen. In Zukunft werden diese Top-Zulieferer SoC-Design- und Softwareentwicklungsteams aufbauen müssen, um weiterhin hochwertige Subsysteme an die Automobilhersteller zu liefern. Wenn nicht, werden andere Unternehmen mit mehr Erfahrung in der Elektronik wahrscheinlich ihren Platz einnehmen. Viele kundenspezifische SoC-Entwicklungen werden Partnerschaften zwischen traditionellen Halbleiterdesignunternehmen, die wissen, wie man SoCs baut, und Automobil-OEMs und Tier 1s, die über das Anwendungswissen verfügen, erfordern.
Auch wenn es noch lange dauern wird, bis das Internet der Autos ausgereift ist, so ist es doch bereits auf dem Vormarsch und wird nicht durch Strom, Wasserstoff oder Benzin, sondern durch Daten angetrieben. Daten treiben die kontinuierliche Verbesserung und Weiterentwicklung des Nutzererlebnisses voran, und die Verbraucher sind bereit, für diese Revolution zu bezahlen. Die Kernkompetenzen der Automobilhersteller verlagern sich von der mechanischen Konstruktion von Motoren und Fahrwerken zu Software und Silizium. Das Internet der Autos ist mit Silizium gepflastert.