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Fahrerassistenzsysteme in künftigen Automobilen stellen immer höhere Anforderungen an die verbaute Elektronik.

Bild: iStock, Vcandy
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Automotive ASICs ICs für die Mobilität von morgen

08.05.2019

Die Erwartungen an ICs in Automobilen steigen gerade immens. Autonomes Fahren, Kommunikation und Infotainment benötigen höhere Leistung bei gleichzeitig geringerem Platz- und Stromverbrauch. Besonders gut erfüllen lassen sich diese Anforderungen mit ASICs. Gerade, wenn sie mit umfangreichen Services verbunden sind.

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Schon immer war der Markt für Fahrzeugkomponenten einer der Innovationstreiber im Halbleiterbereich. Seit einigen Jahren hat sich die Dynamik aber noch einmal erhöht. Der Hauptgrund dafür ist der Plan vieler Automobilhersteller, stärker als früher auf Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) - also das automatisierte- oder fahrerunterstützte Fahren - zu setzen.

Um ein Fahrzeug autonom oder teilautonom fahren zu lassen, ist eine Vielzahl an Sensoren und hohe Rechenleistung erforderlich. Das Umfeld des Fahrzeugs muss dafür sicher in allen Wetterlagen und zu allen Tageszeiten erfasst werden. Mit der Unterstützung von Künstlicher Intelligenz (KI) kann das Fahrzeug dann selbstständig aus den gewonnenen Daten Schlüsse ziehen und darauf reagieren.

Die dazu erforderliche Sensorik muss nach derzeitigem Stand der Technik aus einer Mischung von Video-, Radar- und Lidar-Detektoren bestehen. Ein Fahrzeug benötigt dabei mehrere Sensoren jedes Typs, um das gesamte Umfeld erfassen zu können. Im Innenraum der Fahrzeuge sind weitere Sensoren vorgesehen, etwa für Fahrer- und Passagiererkennung. Sie können dort auch auf Ultraschallbasis arbeiten.

Infotainmentsystem als Kaufentscheidung

Ein weiterer Automotive-Trend ist die Vernetzung von Fahrzeugen miteinander und die von Fahrzeug und Umfeld, zum Beispiel mit Ampelanlagen. Man erhofft sich dadurch eine Optimierung auf mehreren Ebenen. Wenn zwei hintereinander fahrende Automobile miteinander in Kontakt stehen, lässt sich dadurch der Abstand optimieren und somit eine höhere Verkehrsdichte erreichen. Die Kommunikation von Fahrzeug und Ampelanlage führt beispielsweise zu einer Optimierung des Energieverbrauchs im Auto, weil sich dadurch unnötige Beschleunigungen vor einer weiter entfernten roten Ampel vermeiden lassen.

Infotainment wird weiterhin ein Treiber für Elektronik im Fahrzeug bleiben. Lag der Schwerpunkt bisher auf Musikunterhaltung und Navigation, erwarten Kunden mittlerweile auch Video- und Internetdienste sowie die Anbindung von Smartphones und anderen mobilen Geräten an das Fahrzeug. Viele Kaufentscheidungen werden in Zukunft nicht auf Basis von Motorkenngrößen und Brennstoffverbrauch, sondern aufgrund der Qualität des Infotainmentsystems gefällt.

Der Automobilmarkt ist somit stark in Bewegung. Neben den etablierten Automobilherstellern und -zulieferern sind in den letzten Jahren auch vielen neue Player entstanden, die neue Ideen und Konzepte in den Automotive-Markt einbringen. Viele dieser Konzepte lassen sich mit verfügbaren Standardkomponenten nicht oder nur unzureichend implementieren. Dadurch steigt das Interesse an ASICs (Application Specific Integrated Circuit) in diesem Bereich.

Kosten von 10.000 auf unter 100 Dollar senken

Das ist beispielsweise bei Lidar-Sensoren der Fall. Sie sind technisch sehr komplex und müssen auf kleinem Raum viel Elektronik unterbringen. Das bedingt neben geringem Platzbedarf auch eine geringe Leistungsaufnahme und daher geringe Abwärme.

Zusätzlich müssen die Produktkosten stark reduziert werden, um den massenhaften Einsatz im Fahrzeug zu gewährleisten. Bei Lidar-Sensoren liegen sie aktuell noch bei mehreren 10.000 US-Dollar und sollten auf unter 100 US-Dollar fallen. Dafür eignen sich ASICs sehr gut. Nach dem initialen Entwicklungsaufwand wird ein ASIC immer geringere Stückkosten aufweisen als eine diskrete Lösung.

Dieses Trio an Anforderungen – geringer Platzbedarf, niedriger Stromverbrauch und geringe Stückkosten – können realistisch nur mit für die Anwendung individuell entwickelten Schaltungen, also ASICs, befriedigt werden. Zusätzlich dazu bieten ASICs noch weitere Vorteile, wie die Differenzierung gegenüber Wettbewerbern und den Schutz vor Nachbau.

Socionext hat sich auf CMOS ASICs spezialisiert. An diesen besteht zurzeit im Automotive-Bereich großer Bedarf. State-of-the-Art sind im Moment Automotive ASICs basierend auf 16-nm-Halbleitertechnologie.

Für viele Automobilanwendungen kommen allerdings auch andere potenzielle ASIC-Technologien in Frage. Ein großer Teil von Socionexts ASICs für die Fahrzeugindustrie beruhen beispielsweise auf 55-nm-Prozessen. Da Socionext fabless und daher nicht auf die Prozesse eines Herstellers festgelegt ist, kann für jedes ASIC-Projekt der optimale Halbleiterprozess ausgewählt werden.

ARM-Systeme mit 24 Prozessoren

Bei Automotive-ASICs wächst außerdem der Bedarf an zusätzlichen Services sehr stark. Traditionell kümmerte sich der ASIC-Hersteller um das Backend, also um Logiksynthese, Layout, Fertigung und Test, während der Kunde komplett die eigentliche Schaltungsentwicklung abdeckte. Mittlerweile beruhen die meisten ASICs bei Socionext auf sogenannten Plattformmodellen. Bei diesen entwickelt der Kunde einen Teil der Logik, und alle zusätzlichen Sub-Systeme trägt Socionext bei.

Gerade Kunden, die noch wenig Erfahrung mit ASIC-Entwicklung haben, erwarten bereits in der Spezifikationsphase Unterstützung von ihrem Partner. Dafür bietet Socionext das sogenannte Spec-In-Modell. Bei diesem wird der ASIC zusammen mit dem Kunden spezifiziert. Die Implementierung übernimmt hauptsächlich Socionext.

Socionext hat umfangreiche Erfahrung in der Entwicklung von Prozessorsubsystemen auf ARM-Basis. Umgesetzt wurden etwa bereits kundenspezifische Systeme mit bis zu 24 Prozessoren. Auch, wie in Automotive-ASICs üblich, fehlertolerante Systeme über sogenanntes Lock-Step von mehreren verketteten Prozessorkernen zu implementieren, ist dabei möglich.

ASIC-Entwicklung für den Fahrzeugmarkt durchdringt die komplette Wertschöpfungskette von der Entwicklung bis zur Fertigung. Gerade die Anforderungen für Funktionssicherheit nach ISO-Norm 26262 stellen oft eine Herausforderung dar. Sie müssen bereits in der Spezifikation und Entwicklung berücksichtigt werden. Socionext bietet ASICs bis ASIL-B an.

Die Elektrifizierung des Autos wird weiter fortschreiten, da die technischen Möglichkeiten noch lange nicht ausgereizt sind und sich die Fahrzeugindustrie den Möglichkeiten immer stärker öffnet. Es ist zu erwarten, dass ASICs weiterhin eine bedeutende Rolle in dieser Entwicklung spielen werden.

Mehr zum Thema ASICs in Automobilen lesen Sie im Interview mit Mark Ellins, Senior Director von Socionext.

Bildergalerie

  • ASIC mit geöffnetem Gehäuse und sichtbarem Die: Viele aktuelle Konzepte im Automobilbereich lassen sich mit ASICs deutlich besser umsetzen als mit Standardkomponenten.

    Bild: Stephan Ahles, Socionext

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