Die unterschätzte Steuergerätesoftware-Entwicklung: Warum ist sie die Schlüsselwaffe für OEMs, um den Markt zu überflügeln?

Als kleinste Komponente der EE-Architektur von Kraftfahrzeugen spielt die Electronic Control Unit (ECU) eine entscheidende Rolle. Tatsächlich werden die meisten Steuerungs- und Kommunikationsaufgaben in Fahrzeugen von verschiedenen Mikrocontrollern als Teil der ECU ausgeführt. Mit Steuergeräten werden die Gesamtleistung und Sicherheit des Fahrzeugs erheblich verbessert.

Bei sicherheitskritischen Funktionen wie dem Antiblockiersystem (ABS) passen ECUs beispielsweise den Bremsdruck auf der Grundlage von Raddrehzahlinformationen an, um ein Blockieren der Reifen zu verhindern und so die Fahrsicherheit zu erhöhen.

Statistiken zeigen, dass ein modernes Standardfahrzeug mehr als 40 Steuergeräte enthält, in High-End-Modellen sogar 150 oder mehr. Trotz Trends wie der Entkopplung von Hard- und Software oder der Entwicklung hin zu zentralisierten elektronischen Architekturen werden traditionelle Steuergeräte weiterhin eine entscheidende Rolle spielen, da eingebettete Systeme Echtzeitleistung und funktionale Sicherheit auf ASIL-D-Niveau gewährleisten können.

Angesichts der wachsenden Zahl von Fahrzeugmodellen und -funktionen sowie der immer kürzeren Entwicklungszyklen ist es für OEMs und Zulieferer heute wichtiger denn je, eine effiziente und zuverlässige Entwicklung von Steuergerätesoftware zu gewährleisten.

Inmitten der rasanten Fortschritte bei den neuen Automobiltechnologien legen OEMs jedoch häufig den Schwerpunkt auf Innovationen bei intelligenten Systemen - insbesondere bei ADAS und autonomem Fahren - und übersehen dabei die Bedeutung der Wartung und Optimierung von tief eingebetteten Mikrocontroller-Toolchains. Mit zunehmender Komplexität der Steuergeräte steigen auch die Herausforderungen bei der Softwareentwicklung. Eitech ist davon überzeugt, dass Fortschritte bei der Entwicklung von Steuergerätesoftware in den kommenden Jahrzehnten das Innovationstempo, die Kostenwettbewerbsfähigkeit und die Sicherheit in der Automobilindustrie beeinflussen und damit ein entscheidender Faktor für die Erhaltung und Stärkung des Marktvorsprungs der OEMs sein werden.

Als intelligentes Herzstück des Fahrzeugs steuert die ECU kritische Systeme wie Bremsen, Lenkung und Karosseriesteuerung. Ihre Sicherheit wirkt sich direkt auf die Fahrzeugleistung und die allgemeine Sicherheit aus. Mit der Beschleunigung der automobilen Intelligenz sind die Fahrzeuge zunehmend vernetzt, was sie anfälliger für Cybersicherheitsbedrohungen macht. Die Gewährleistung einer robusten Cybersicherheit bei der Entwicklung von Steuergerätesoftware ist von entscheidender Bedeutung und erfordert umfassende Maßnahmen zum Schutz von Fahrzeugsystemen und -daten.

Einerseits machen es die Vielfalt und die Entwicklung von Cyber-Bedrohungen zunehmend komplexer, Steuergeräte vor Malware, Hacking und unbefugtem Zugriff zu schützen. ETAS schlägt vor, diesen Bedrohungen mit einer mehrschichtigen Sicherheitsarchitektur zu begegnen. Diese umfasst Verschlüsselung, Authentifizierung, Angriffserkennung und sichere Boot-Mechanismen, um Daten-, Kommunikations- und Hardware-/Software-Sicherheit während der gesamten Steuergeräte-Entwicklung zu gewährleisten.

Bei der Entwicklung von Steuergeräten muss beispielsweise sichergestellt werden, dass nur autorisierte Geräte oder Software auf das Steuergerät zugreifen können. Verschlüsselungstechniken sollten die Authentifizierungsinformationen schützen und eine Fälschung der Identität verhindern. Feinkörnige Zugriffskontrollmechanismen können unterschiedliche Zugriffsstufen auf Steuergeräte verwalten.

Darüber hinaus ist es aufgrund der begrenzten Rechenressourcen in Steuergeräten eine Herausforderung, umfassende Sicherheitsmaßnahmen ohne Leistungseinbußen zu implementieren. Maßgeschneiderte, leichtgewichtige und effiziente Sicherheitsprotokolle sind erforderlich, um Schutz ohne Leistungseinbußen zu gewährleisten.

Die Einhaltung unterschiedlicher und strenger Cybersicherheitsvorschriften in verschiedenen Regionen und Branchen macht die Steuergeräteentwicklung zusätzlich komplex. So müssen beispielsweise ab Juli 2024 alle in die EU exportierten Fahrzeuge die UN-R155 erfüllen, die weltweit erste internationale Regelung zur Cybersicherheit von Fahrzeugen. Sie schreibt strenge Cybersicherheitsmaßnahmen während des Fahrzeugdesigns und der Produktion zum Schutz vor Cyberangriffen und Datenverletzungen vor.

Im August 2024 veröffentlichte China die verbindliche nationale Norm GB 44495-2024: Technische Anforderungen an die Informationssicherheit von Automobilen, die am 1. Januar 2026 für neue zertifizierte Modelle in Kraft treten wird. Sie enthält spezifische Anforderungen für externe Konnektivität, Kommunikation, Datensicherheit und Software-Updates sowie entsprechende Prüfverfahren. Auch bei Produkten, die bereits nach UN-R155 zertifiziert sind, kann es sein, dass gezielte technische Anpassungen erforderlich sind, um die nationalen Normen Chinas für inländische Modelle zu erfüllen.

Folglich muss die Entwicklung von Steuergerätesoftware den sich entwickelnden globalen Cybersicherheitsvorschriften entsprechen. Echtzeit-Überwachung und die Integration von Updates in den Lebenszyklus der Fahrzeugentwicklung sind unerlässlich, um sicherzustellen, dass die Steuergerätesoftware sicher und auf dem neuesten Stand bleibt.

Als Pionier auf dem Gebiet der Cybersicherheit in der Automobilindustrie unterstützt ETAS seine Kunden dabei, die Komplexität der Steuergeräteentwicklung zu bewältigen, Cybersecurity-Risiken zu reduzieren und das wirtschaftliche Potenzial zu maximieren. Ihr umfassendes Angebot an Netzwerkprodukten und professionellen Dienstleistungen schützt Millionen von Fahrzeugen weltweit und setzt damit den Standard für Cybersicherheit in softwaredefinierten Fahrzeugen.

Die ETAS-Verschlüsselungsbibliothek ESCRYPT CycurLIB, die auf eingebettete Systeme zugeschnitten ist, bietet effiziente Implementierungen von Verschlüsselungsalgorithmen und Sicherheitsstandards. Sie wurde speziell für ressourcenbeschränkte Steuergerätesysteme entwickelt, unterstützt alle gängigen Verschlüsselungsalgorithmen und Zertifikatsstandards (einschließlich chinesischer Standards), arbeitet mit AUTOSAR- und Nicht-AUTOSAR-Konfigurationen und läuft auf allen Plattformen. Optimierungen für Geschwindigkeit, RAM und ROM sind für verschiedene Prozessoren verfügbar.

Darüber hinaus kann die innovative und flexible Sicherheitsfirmware ESCRYPT CycurHSM von ETAS in jedem Steuergerät eingesetzt werden, auch in Domain Controllern. Sie gewährleistet sicheres Booten, Sicherheit der Kommunikation im Fahrzeug und Komponentenschutz und erfüllt Standards wie ISO 26262 ASIL-D, Automotive SPICE und ISO/SAE 21434.

Die ETAS-Implementierung von ESCRYPT CycurHSM auf dem AURIX™ TC3xx-Hardware-Sicherheitsmodul (HSM) der zweiten Generation von Infineon hat die Zertifizierung des CAVP (Cryptographic Algorithm Validation Program) des U.S. National Institute of Standards and Technology (NIST) im Jahr 2023 erfolgreich bestanden und unterstützt validierte kryptografische Algorithmen mit voller Konformität.

Darüber hinaus ist die komplexe Kalibrierung eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Steuergerätesoftware. Als kritischer Prozess bei der Entwicklung von Steuergerätesoftware beeinflusst die Kalibrierung die Gesamtleistung des Fahrzeugs. Während des Kalibrierungsprozesses muss sichergestellt werden, dass sich die Software an das physische System anpasst und die große Anzahl von Kalibrierungsparametern in der Anwendung optimiert, wobei die zahlreichen Interaktionen zwischen Softwarefunktionen und dem Steuergerät zu berücksichtigen sind.

Einerseits ist die Handhabung der Steuergeräte-Dokumentation und die Sicherstellung einer genauen Kalibrierung eine komplexe Aufgabe, die häufig durch Informations-Desynchronisation und geringe Effizienz des Wissenstransfers beeinträchtigt wird, was die Gesamtproduktivität verringern und übermäßig viel Entwicklungszeit in Anspruch nehmen kann. Gleichzeitig kann dies den Steuergeräte-Entwicklungszyklus verlängern, Fahrzeugentwicklungsprojekte verzögern und die Finanzierungskosten erhöhen.

Andererseits ist die Fehlerquote bei der Kalibrierung im Steuergeräte-Entwicklungsprozess hoch. Wenn die Kalibrierungsparameter falsch verstanden werden und zu falschen Einstellungen führen, sind wiederholte Tests und eine erneute Kalibrierung erforderlich. Außerdem entsprechen falsch konfigurierte Parameter möglicherweise nicht den gesetzlichen Normen, was zu kostspieligen Revisionen und Rückrufen führen kann.

Um diese Herausforderungen zu meistern, hat ETAS eine Reihe von Methoden und Lösungen vorgeschlagen, die auf seiner 30-jährigen Erfahrung mit eingebetteter Software für die Automobilindustrie basieren.

Verbessern der Dokumentation und des Wissensaustauschs: Bereitstellung einer umfassenden Dokumentation, in der jeder Kalibrierungsparameter klar erläutert wird, einschließlich seines Zwecks, der Abhängigkeiten von anderen Parametern und seiner Auswirkungen auf das System. Implementierung einer interaktiven Dokumentationslösung, um Fehler zu reduzieren und die Prozesseffizienz zu verbessern.

Aufbau von benutzerfreundlichen Schnittstellen: Vereinfachung des Kalibrierungsprozesses durch Lösungen, die den Nutzenden oder Nutzerinnen und Nutzern nur die relevanten Parameter und Optionen zur Verfügung stellen; Verwendung visueller Schieberegler und dynamischer Diagramme, um das Verständnis und die Anpassung der Kalibrierungseinstellungen zu erleichtern.

Einsatz von Automatisierungs- und Standardisierungswerkzeugen: Zum Beispiel INCA-FLOW, das über eine intuitive Benutzeroberfläche verfügt und für routinemäßige Kalibrierungsaufgaben verwendet wird. Dadurch werden manuelle Vorgänge reduziert und der Kalibrierungsprozess vereinfacht, während gleichzeitig Konsistenz und Zuverlässigkeit über verschiedene Projekte und Teams hinweg gewährleistet werden.

Nutzung von Simulation und Datenmodellierung: Verwendung von Simulations- und Modellierungstools wie ASCMO zur Erstellung mathematischer Modelle. Diese Modelle optimieren und generieren Kalibrierungsparameter mithilfe trainierter mathematischer Modelle, ohne die tatsächliche Hardware zu beeinflussen, und kalibrieren automatisch physikalische Modellparameter auf der Grundlage von Testdaten innerhalb der MOCA-Umgebung. Darüber hinaus vereinfacht die Einbettung mathematischer Modelle in das ECU-Systemmodell den Betrieb und die Tests.

Auf dieser Grundlage verwandeln die ETAS-Kalibrierungslösungen und Echtzeit-Kalibrierungsüberprüfungslösungen Daten in wertvolle Informationen und Werkzeuge, die die Effizienz und Genauigkeit der Steuergeräte-Kalibrierung verbessern und eine starke Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt gewährleisten.

So hat sich das ETAS-Kalibrierungsdiagnosetool INCA nach fast 20 Jahren Entwicklung in der Automobilindustrie zu einer leistungsstarken integrierten Plattform für Kalibrierungslösungen entwickelt, die in bereichsübergreifenden standardisierten Hardware- und Software-Tools für Verbrennungsmotor-Antriebssysteme, elektrische Fahrzeugantriebssysteme, Wärmemanagement und Fahrwerk eingesetzt wird.

INCA verfügt über eine benutzerfreundliche Oberfläche, die die Kalibrierungseinstellungen, die Echtzeitanalyse und die Visualisierung vereinfacht und gleichzeitig die Suchzeit reduziert und die Kalibrierungsparameter optimiert. Die INCA-Basis-Toolchain und die verschiedenen Plugins werden bereits von über 50.000 Nutzerinnen und Nutzern weltweit in der Steuergeräte-Projektentwicklung eingesetzt.

Darüber hinaus stellt die interaktive Software-Dokumentationslösung EHANDBOOK von ETAS die Funktionslogik von Steuergerätesoftware interaktiv und grafisch dar und macht so komplexe Automobilsoftware leichter verständlich. Es ist besonders hilfreich für das Verständnis des Signalflusses und der Abhängigkeiten zwischen Steuergerätefunktionen, wodurch die Komplexität der Steuergerätesoftware deutlich reduziert und die Zeit für ineffektive Suchvorgänge minimiert wird.

In praktischen Anwendungen reduziert die Kombination von EHANDBOOK und INCA-Tools effektiv manuelle Aufgaben wie die Suche, Analyse und Übertragung von Daten. INCA-Experimente können automatisch innerhalb von EHANDBOOK eingerichtet werden, so dass Ingenieure nahtlos zwischen dem Verständnis von Steuergerätefunktionen und der Implementierung von Änderungen wechseln können. Dies unterstützt den schnellen Zugriff auf benötigte Daten und liefert sofortiges Feedback für eine effiziente Fehlerbehebung, was die Effizienz, Genauigkeit und Zusammenarbeit des Teams bei der Steuergeräte-Applikation und -Diagnose erheblich verbessert.

ETAS setzt auf umfassende, unverbindliche und erweiterbare Lösungen für die Entwicklung von Steuergerätesoftware, um eine nahtlose Integration und Kommunikation zwischen den Werkzeugen zu erreichen. Dadurch können OEMs und Zulieferer die Gesamtprojektkosten senken und gleichzeitig die Effizienz des Softwareentwicklungsprozesses maximieren, wobei Herausforderungen wie die funktionale Entwicklung von Software für eingebettete Mikrocontroller im Automobilbereich, die allgemeine Cybersicherheit und die komplexe Kalibrierung effektiv angegangen werden.