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• Das immer komplexere Geflecht aus Schnittstellen und Abhängigkeiten im Fahrzeug erfordert, dass alle beteiligten Akteure bereits ihre Entwurfsmodelle optimal aufeinander abstimmen.© Fraunhofer IIS / EAS
  
• AutoSUN bringt die digitale und die analoge Welt des Hardwareentwurfs mit dem Entwurf hardwarenaher Software auf hoher Abstraktionsebene zusammen.© AutoSUN
  
• Das immer komplexere Geflecht aus Schnittstellen und Abhängigkeiten im Fahrzeug erfordert, dass alle beteiligten Akteure bereits ihre Entwurfsmodelle optimal aufeinander abstimmen.© Fraunhofer IIS / EAS
  

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Marktreife2012

Weil Software, Elektronikhardware und mechanische Komponenten exakt aufeinander abgestimmt arbeiten müssen, entsteht im Fahrzeug ein immer komplexeres Geflecht aus Schnittstellen und Abhängigkeiten. Bei der Entwicklung neuer Systeme ist es daher unerlässlich, dass die beteiligten Entwickler eng zusammen arbeiten - über alle Fachbereiche hinweg. Neue Entwurfsmethoden beschreiben sowohl die digitale als auch die analogen Systemkomponenten und ermöglichen den Schutz geistigen Eigentums beim Austausch des Entwurfsdesigns sowie dessen frühzeitige Simulation und Verifikation.

Mehr Sicherheit durch vorausschauende Fahrerassistenzsysteme, mehr Energieeffizienz durch intelligente Motorensteuerung oder mehr Fahrkomfort durch situationsabhängige Anpassung von Fahrfunktionen – die Ziele bei der Entwicklung neuer Systeme für die nächste Fahrzeuggeneration lassen sich noch klar und einfach definieren. Auf dem Weg dorthin stehen die Systementwickler jedoch regelmäßig vor einer großen Herausforderung: Alle beteiligten Akteure, von der Softwareschmiede über die Hersteller von Halbleitern und Hardwarekomponenten hin zu den Zulieferern elektronischer und mechanischer Bauteile und schließlich den Entwicklungsabteilungen der Fahrzeugfirmen selbst, müssen ihre Arbeit an den Entwurfsmodellen optimal aufeinander abstimmen. Das Problem, das sie dabei zu lösen haben, kann als "Elektronisches Henne-Ei-Problem" verstanden werden und man fragt sich "Was war zuerst da?". Obwohl jedes der Systemteile in den frühen Entwicklungsstadien nur als Idee oder Modellskizze in der jeweiligen Entwicklerdomäne existiert, ist es dennoch erforderlich, seine Entwicklung äußerst speziell an den Anforderungen und Beschränkungen der übrigen Komponenten auszurichten.

Mit den bisherigen Entwicklungsmethoden ist eine Beschreibung der Systementwürfe domänenübergreifend nicht möglich. Ob die Entwürfe für die hardwarenahe Software, die digitale Hardware und die analoge Welt sich wie vorgesehen zu einem verlässlich arbeitenden Gesamtsystem zusammenführen lassen, lässt sich daher nicht frühzeitig genug prüfen. Die Folge sind zeit- und kostenintensive Entwicklungsschleifen mit wiederholten Anpassungen oder Redesigns der einzelnen Entwurfsmodelle. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Förderprogramms IKT 2020 unterstützten Projekt AutoSUN wurden nun die methodischen und technologischen Voraussetzungen geschaffen, um die bisherigen Hürden in der Zusammenarbeit der Systementwickler überwinden zu können. Neben den Forschungspartnern Fraunhofer IIS - Institutsteil Entwurfsautomatisierung, dem Institut für Mikroelektronische Systeme der Leibnitz Universität Hannover und dem Institut für Computertechnik an der Technischen Universität Wien beteiligten sich als Industriepartner die Continental TEVES AG, die Daimler AG, die Infineon Technologies AG und die ZMD AG.

Einen ersten Schwerpunkt des Projekts bildete die Entwicklung einer gemeinsamen Entwurfssprache für die Spezifikationen von Gesamtsystemen. Mit einer analogen Erweiterung von SystemC (SystemC-AMS) und speziellen Algorithmen zur Simulation und Validierung ist es nun möglich, das Zusammenspiel aller Hard- und Softwareteile bereits in der Entwurfsphase zu erproben und zu testen. Die immer enger werdende Verknüpfung zwischen Hard- und Software kann damit systematisch erfasst, und auch hochkomplexe Schaltkreise mit der (für sicherheitskritische Systeme im Automobilbau erforderlichen) sehr niedrigen Fehlerrate können zuverlässig entworfen werden. Hardwarenahe Software wird damit zum Beispiel einsetzbar, um Alterungsprozesse der mechanischen Komponenten eines Systems auszugleichen. Dazu wird über eine digitale Hardwareschnittstelle die Alterung von Parametern der analogen Bauteile erfasst. So werden intelligente Softwarealgorithmen einsetzbar, die sich automatisch an den jeweiligen Zustand des Gesamtsystems anpassen.

Damit diese durchgängigen Entwurfsmodelle auch in der industriellen Praxis eingesetzt werden können, hatten die Projektpartner noch eine weitere entscheidende Hürde zu überwinden. Denn die an der Entwicklung neuer Systeme für die Automobilindustrie beteiligten Akteure sind in der Regel nicht nur Partner, sondern stehen in Teilbereichen auch in Konkurrenz zueinander. So sind beispielsweise die Algorithmen einer Softwareschmiede wichtiges Firmenkapital. Die Entwurfsmodelle offen zu legen und den übrigen Entwicklungspartnern für Simulationen und Tests des Gesamtsystems zur Verfügung zu stellen ist daher vielfach nicht erwünscht. Die Spezifikationen der Partner uneingeschränkt nutzen zu können und damit die eigenen Entwürfe prüfen und optimieren zu können, ist jedoch für die gemeinsame Systementwicklung unbedingt erforderlich. Als Lösung dieser sich widersprechenden Anforderungen entwickelten die Projektpartner Verfahren zur Generierung kompilierter Modelle. Der Systementwurf des jeweiligen Entwicklerteams wird dazu in ein Programm überführt. Seine Funktion ist mit der einer „Black Box“ vergleichbar:  Details der Entwurfsmodelle und das besondere Unternehmens-Know-how lässt sich darin nicht mehr einsehen. Die Intellectual Properties (IPs) der Entwicklungspartner werden also wirksam geschützt. Trotzdem ist es dank des ausführbaren Spezifikationscodes möglich, die einzelnen Systemkomponenten als Gesamtsystem zu simulieren.

Zusätzlich erarbeiteten die Projektpartner von AutoSUN Methoden und Technologien, um auch "unsichere Parameter" zu modellieren. Für die Systementwickler werden damit die Voraussetzungen geschaffen, Einflussgrößen mit in ihre Entwürfe einzubinden, die nur mit einer gewissen Toleranz bestimmt werden können oder die durch Umwelteinflüsse verändert werden. Die Beschreibung und Erfassung solcher Unsicherheiten in dem gemeinsamen Entwurfsmodell ist eine Voraussetzung, um trotz dieser Unsicherheiten ein robustes und zuverlässiges Gesamtsystem zu entwickeln.