Technologien

Ausgangslage: Singlecore-Technologie

In der Fahrzeugindustrie, in der Avionik und bei der Bahn werden neue Funktionen zur Realisierung von mehr Sicherheit, Komfort, zur Erhöhung der Verkehrseffizienz und Energieeinsparung über elektronische Steuergeräte realisiert. Zentraler Bestandteil der Steuergeräte sind Mikrocontroller, in denen ein einzelner Prozessorkern (Singlecore-Prozessor) die Softwarealgorithmen ausführt. Der in der Vergangenheit verfolgte Ansatz zur Integration neuer Funktionen war ein zusätzliches Steuergerät vorzusehen. Dieser Ansatz ist bedingt durch Bauraum und Kosten an seine Grenzen der Skalierbarkeit gestoßen. Dies bedeutet, dass zukünftige Steuergeräte mehr Funktionen gleichzeitig ausführen müssen. Darüber hinaus benötigen fortschrittliche Funktionen durch zumeist aufwendige Signalverarbeitung oder zunehmende Vernetzung mit anderen Funktionen und Steuergeräten eine hohe Rechenperformanz.

Die bisher in Steuergeräten verwendete Singlecore-Technologie stößt hier an ihre Leistungsgrenze: Eine weitere Erhöhung der Performanz durch steigende Taktraten ist insbesondere aufgrund der Verlustleistungsdichte und der damit verbundenen Problematik der Wärmeabfuhr nicht möglich. Die durch die Singlecore- Technologie vorgegebenen Grenzen stehen somit letztendlich der Integration fortschrittlicher Funktionen in Fahrzeugen, Flugzeugen und bei der Bahn und damit der weiteren Erhöhung von Sicherheit, Komfort und Verkehrseffizienz entgegen.

Multicore-Technologie als domänenübergreifender Paradigmenwechsel

In klassischen IT Bereichen werden wegen der bekannten Leistungsgrenze von Singlecore-Prozessoren seit einiger Zeit sogenannte Multicore-Prozessoren verwendet. Dort steigt die zur Verfügung stehende Rechenleistung eines Prozessors (CPU) mit der Anzahl der Rechenkerne (Cores). Eine vergleichbare Entwicklung ist vermehrt auch bei Embedded Systems zu beobachten, die einen Anteil von über 90% aller weltweit eingesetzten Prozessoren ausmachen. Abbildung 1 ist zu entnehmen, dass der relative Anteil der in den Mobilitätsdomänen Automobil, Avionik und Bahn eingesetzten Bausteine lediglich unter 10% beträgt. Daher orientieren sich Entwicklung- und Herstellung von Multicore-Hardwarebausteinen eher an den volumenstarken Märkten Consumer, Entertainment und Communications. In diesen Domänen ist der Paradigmenwechsel von Single- zu Multicores in Teilen bereits erfolgreich vollzogen.

Multicore-Technologie für die Domänen Automobil, Avionik und Bahn

Multicore-Systemen müssen für den Einsatz in den Mobilitätsdomänen Automobil, Avionik und Bahn weitreichende und spezifische funktionale und nicht funktionale Anforderungen erfüllen, die über diejenigen des General Purpose Computings weit hinausgehen. Diese sind insbesondere:

  • Echtzeitfähigkeit

  • Leistungsfähigkeit

  • Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit

  • zertifizierbare Funktionssicherheit (Safety)

  • Sicherheit gegen Angriffe (Security)

  • Kompatibilität zu bestehenden Konzepten

  • Energieeffizienz

Die Übertragung von Lösungen aus Domänen, die Multicore- Systeme bereits erfolgreich einsetzen (z.B. aus dem General Purpose Computing), ist nur begrenzt möglich. Für die Mobilitätsdomänen müssen zur Erfüllung der genannten Anforderungen spezialisierte Architekturen und Methoden entwickelt werden. Auch bereits existierende Erfahrungen von Singlecore-Lösungen sind nur sehr eingeschränkt übertragbar, da Multicores aufgrund Ihrer parallelisierenden Eigenschaften erheblich komplexere Systemzustände erlauben, die damit die Sicherstellung oben genannter Eigenschaften erschweren. 

Hochintegration von Funktionalitäten unterschiedlichster Anforderungen

Damit auch Funktionen unterschiedlicher Kritikalität auf einem hochintegrierten Multicore-System-on-Chip (Multicore-SoC) anforderungsgemäß koexistieren können, bedarf es spezieller Schutzmaßnahmen, die über eine sogenannte Virtualisierungsschicht zur Verfügung gestellt werden können. Eines der wesentlichen Ziele bei der Virtualisierung sind die Hardwareabstraktion und die Kapselung einzelner Funktionen.

Virtualisierung ist ein Ansatz, der bereits in Rechenzentren eine große Verbreitung gefunden hat. Eine direkte Übertragung auf Embedded Systems für die Mobilitätsdomänen Automobil, Avionik und Bahn ist jedoch nicht möglich. Wiederum liegt die Herausforderung in der Erfüllung der schon oben genannten Anforderungen. Beispielhaft sei die bisher ungelöste Herausforderung genannt Anwendungen mit unterschiedlichen Sicherheitsleveln auf einer Hardware gegeneinander abzusichern und gleichzeitig ein Sharing von Hardware-Ressourcen zu ermöglichen.