Modellvisualisierung ermöglicht abstraktes Automobildesign

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Immer komlexere Systeme im Automobil stellen Entwickler vor große Herausforderungen, die sich mit einer Synthese aus abstraktem Design und automatischem Schaltplan-Rendering bewältigen lassen.

Während die modernen Fahrzeuge immer ausgefeilter werden, erlebt die Automobilelektronik-Entwicklung eine Renaissance. Schwere elektromechanische Bauteile wurden von elektronischen Systemen auf Mikroprozessorbasis verdrängt. Selbstfahrende, autonome Fahrzeugen verlangen nach computerbasierter künstlicher Intelligenz und müssen gleichzeitig strengsten Sicherheitsnormen genügen.

All dies hat Veränderungen hinsichtlich der Art und Weise herbeigeführt, wie Automobilelektronik konstruiert und entwickelt wird – ganz ähnlich dem, was sich in den 1990er Jahren in der Halbleiterindustrie zugetragen hat. Die immer schneller voranschreitende Verfeinerung der Elektronik erfordert eine grundlegende Veränderung bei den Entwicklungssystemen. Allerdings ist hier eine sorgfältige Koordination gefragt, damit die Umstellung nicht zu Lasten der Produktivität geht.

Vergleich mit der HDL-Revolution

Ein Vergleich mit der HDL-Revolution (Hardware Description Language), zu der es in den neunziger Jahren in der Halbleiterindustrie kam, kann diesbezüglich einige nützliche Erkenntnisse liefern. Jahrzehntelang ließ sich die Komplexität der Halbleiter mit dem bekannten Moore´schen Gesetz vorhersagen. Dieses besagt, dass sich die Zahl der Transistoren auf einem Chip alle 18 Monate verdoppelt.

Um dieses Wachstumstempo beizubehalten, mussten die Entwicklungs-Technologien radikal und kontinuierlich weiterentwickelt werden. Die ursprünglichen Halbleiter wurden mit Transistoren und Logikgattern entworfen, die in grafischen Schaltplänen miteinander verbunden wurden. Als diese Chips aber irgendwann aus mehreren zehntausend Gattern bestanden, musste eine andere Lösung her. Die Antwort waren HDLs im Verbund mit Synthese-Tools und fortschrittlicher Simulation. Ein softwareähnliches Design-Paradigma machte es möglich, mit wenigen Codezeilen Hunderte oder gar Tausende von Transistoren oder Logikgattern zu definieren.

Die meisten elektronischen Systeme sind nicht sichtbar

Ganz ähnlich den modernen Halbleitern enthält auch ein modernes Fahrzeug eine Unmenge elektronischer Systeme (Bild 1). Einige dieser Systeme, wie etwa das Radar, die Unterhaltungselektronik und das Navigationssystem, sind klar sichtbar. Die Mehrzahl bleibt dem Fahrer dagegen verborgen, ist aber dennoch von entscheidender Bedeutung für den grundlegenden Betrieb des Fahrzeugs.

In einem Fahrzeug des Jahres 2018 finden sich typischerweise zwischen 100 und 300 Mikroprozessoren oder Mikrocontroller, mehr als 50 komplexe elektronische Steuerungsschaltungen, 5 bis 20 Millionen Zeilen Softwarecode und kilometerlange elektronische Leitungen. Der beschleunigte Fortschritt sorgt inzwischen unweigerlich für dramatische Veränderungen bei den Design-Paradigmen.

Das Halbleiter-Design der neunziger Jahre war noch einfach

Beim Halbleiter-Design der neunziger Jahre standen eine Codezeile oder ein gezeichnetes Bauteil für ein einziges Logikgatter. Mit dem Aufkommen der Hardware-Beschreibungssprachen erreichte man es dagegen, dass auch ein Bauteil wie etwa ein aus 100 Gattern bestehender Addierer oder Zähler mit einer einzigen Zeile beschrieben werden konnte, und zwar auf eine deutlich einfacher verständliche Weise.

Das gleiche passiert bei den systemorientierten Designlösungen im Automotive-Bereich. Abstrakte Modelliersysteme ersetzen hier die traditionelle Schaltplaneingabe. Die Automotive-Halbleiter selbst werden bereits mit EDA-Verfahren (Electronic Design Automation) und zusätzlichen Sicherheits-Mechanismen gemäß ISO 26262 entwickelt, und das gleiche Maß an Modellierung erscheint nunmehr auch beim Design der Subsysteme und des gesamten Fahrzeugs.

Während diese regelrechte Explosion der beschreibenden Funktion zu enormen Produktivitätssteigerungen führt, sind auch die Ingenieure gefordert, vom optimierten Design auf einer niedrigen Abstraktionsebene abzugehen und sich bei der Ausarbeitung der Schaltungsdetails auf die Automatisierung zu verlassen, während sie sich dem Design auf der System- und Funktionsebene widmen.

Visuelle Verknüpfung zwischen Modell und Schaltung

In der HDL-Revolution auf dem Halbleitersektor erwies sich diese Umstellung als überaus schwierig für Ingenieure, von denen erwartet wurde, auf der Schaltungs-Ebene das bestmögliche Design hervorzubringen. Viele Ingenieure empfanden einen Kontrollverlust hinsichtlich des genauen Designs und hatten es schwer, den automatisierten Technologien zu vertrauen. Hier war es wichtig, eine visuelle Verknüpfung zwischen dem abstrakten Modell und der Schaltung zu schaffen. Erreicht wurde dies durch das automatische Erstellen eines Schaltplans des detaillierten Modells. Hierdurch war es den Ingenieuren möglich, mit dem finalen Resultat ihrer Entwicklungsarbeit Frieden zu schließen.

Das automatische Schaltplan-Rendering wird immer wichtiger

Das gleiche gilt für das moderne Automobildesign. Je abstrakter die Modellierung wird, umso größer wird seitens der Ingenieure der Wunsch, das Ergebnis ihrer Designarbeit in einem vertrauten Rahmen, nämlich als Schaltplan zu sehen. Wie wir bei den Halbleiter-Systemen der 1990er Jahre gelernt haben, müssen die automatisierten Tools mit Mechanismen zur Darstellung der finalen Design-Implementierung ausgestattet werden. Inzwischen tritt eine neue für die EDA-Industrie entwickelte Technologie auf den Plan, die auf der Basis der CAD-Datenbestände der Modelle gerenderte Schaltpläne erzeugt. Das automatische Schaltplan-Rendering wird sich zu einer Technologie entwickeln, die von essenzieller Bedeutung für den Umstieg vom traditionellen, schaltplanbasierten Design auf Designmethodiken mit höherem Abstraktionsgrad ist.

Ein automatisiertes Schaltplan-Rendering-System kann mehr

Allerdings kann ein automatisiertes Schaltplan-Rendering-System wie die E-Engine von Concept Engineering noch mit weiteren Pluspunkten aufwarten, die über das manuelle Editieren von Schaltplänen hinausgehen und die abstrakte Modellierungsmethodik durch einen erheblichen Umfang an Funktionalität ergänzen. Wenn es gelingt, Funktionalität auf einer abstrakten Ebene zu beschreiben und anschließend in einer niedrigere Abstraktionsebene zu konvertieren bzw. zu synthetisieren, kann das Schaltplan-Rendering zum Inspizieren des Designs verwendet werden. Dies wiederum behält einige Vorteile der visuellen Darstellung bei, macht aber dennoch die Produktivitätssteigerungen der Abstraktion nutzbar.

Vorteile des Schaltplan-Renderings

Ein solches System kann spezifische Schaltpläne erstellen, mit deren Hilfe Ingenieure bestimmte Designbereiche ohne großen Aufwand sichten und inspizieren können. Inkrementelle Schaltpläne, die den Umfang an unnötigen Details für die jeweilige Inspektion reduzieren und gleichzeitig die nützlichen Daten hervorheben, können die Ausführung der jeweils anstehenden Aufgabe deutlich beschleunigen. Die Ansicht lässt sich verändern und umwandeln, wenn sich der Ingenieur durch das System bewegt. Dabei können Informationen über das System im Schaltplan angezeigt werden – zum Beispiel die Leistungsaufnahme, Angaben zu den Bauteilen oder andere Details, wie in Bild 2 gezeigt. Das automatische Rendering-System kann außerdem alle Bauteile aus der Modell-Datenbank extrahieren, die mit einer bestimmten Fahrzeugfunktion (z.B. der Innenbeleuchtung) in Zusammenhang stehen, und im Handumdrehen das komplette Schaltbild für diese spezifische Funktion generieren und anzeigen.

Fazit

Beim Design im Automotive- und Aerospace-Bereich ist die Abstraktion wegen der rapiden technologischen Weiterentwicklung unabdingbar. Wie es in der Halbleiterindustrie vorgemacht wurde, muss die Abstraktion jedoch durch Systeme gestützt werden, die es den Ingenieuren leicht machen, ihren Bezug zur realen Elektronik zu wahren. Hieraus entsteht eine kombinierte Methodik, in der die Abstraktion zur Beschreibung der Funktionalität genutzt wird, während die Schaltungs-Visualisierung für die Analyse, das Debugging und die intelligente Wartung des gesamten Systems dient.

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* Gerhard Angst ist CEO der Concept Engineering GmbH in Freiburg/Breisgau.

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