Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/wasserkuehlung-erforderlich-leistungshunger-von-auto-rechnern-soll-stark-steigen-1905-141155.html    Veröffentlicht: 10.05.2019 10:00    Kurz-URL: https://glm.io/141155

Wasserkühlung erforderlich

Leistungshunger von Auto-Rechnern soll stark steigen

Entwickler erwarten einen deutlich höheren Leistungsbedarf für die Prozessoren autonomer Autos. Doch nicht nur die erforderliche Kühlung, auch der Energiehunger könnte zum Problem werden.

Die künftigen Steuergeräte für selbstfahrende Autos haben nach Ansicht von Entwicklern einen deutlich höheren Strombedarf als die bisherigen Chips. Während heutige Controller 35 bis 40 Watt benötigten, könnten die Steuergeräte in einigen Jahren "im Bereich von 250 Watt und 800 Watt Verlustleistung liegen", sagte Chefingenieur Rainer Denkelmann vom Automobilzulieferer Aptiv (früher Delphi) auf einer VDI-Tagung in München. In Kombination mit Nebenrechnern, Sensoren und Stromversorgung komme man "relativ schnell auf eine Leistung von zwei Kilowatt für ein solches System", sagte Denkelmann. Das erfordere etwa zwei Liter zusätzlichen Treibstoff pro 100 Kilometer oder reduziere die Reichweite von Elektroautos.

Der stark steigende Leistungsbedarf des Steuersystems hat nach Darstellung von Aptiv seinen Grund in der erforderlichen Rechenleistung und den höheren Sicherheitsanforderungen beim autonomen Fahren. So müsse das Steuerungssystem über eine Ausfallsicherheit nach der höchsten Stufe ASIL D verfügen (ASIL = Automotive Safety Integrity Level). Das setze beispielsweise eine redundante Systemarchitektur mit parallelen Zentralrechnern und zusätzlichen Prozessoren für Sicherheit und Bilderkennung voraus.

Sensoren sollen "dümmer" werden

Der Sicherheitscontroller vergleiche dabei permanent die Ergebnisse von zwei Rechenpfaden, die jederzeit das gleiche Ergebnis liefern müssten. Da bei unterschiedlichen Ergebnissen in einem der beide Pfade ein Fehler vorliege, müsse in einem solchen Notfall ein drittes System das Auto noch in einen sicheren Zustand überführen können. Zudem reichten die Hardware-Fortschritte nach Moore's Law nicht aus, um den erforderlichen Zuwachs an Rechenleistung zu garantieren. Daher seien mehr parallele Chips erforderlich.

Darüber hinaus wollen die Entwickler laut Denkelmann künftig wieder mehr Rechenleistung im Steuergerät ansiedeln, um die Auswertung der Sensordaten aus den Sensoren selbst in das Steuergerät verlagern zu können. Vor allem Radare und Lidare würden dadurch "dümmer als am Anfang", sagte der Chefingenieur. Das hänge damit zusammen, dass es für die sogenannte Sensordatenfusion besser sei, wenn die Daten noch nicht zu stark von den Sensoren selbst ausgewertet würden. Allerdings werde die Rechenleistung künftig noch nicht ausreichen, um beispielsweise direkt die Punktewolken aus den einzelnen Lidaren zu verarbeiten. Aptiv geht allerdings davon aus, dass die Bussysteme künftig auf zehn Gigabit pro Sekunde ausgelegt werden.

Wasserkühlung erforderlich

Auch wenn die Leistungsangaben aus einem frühen Entwicklungs- und Forschungsstadium stammten, hält Denkelmann sie durchaus für realistisch. Was die Aptiv-Entwickler vor drei, vier Jahren zum Leistungsbedarf gesagt hätten, "hat leider gestimmt". Diese hätten schon damals darauf hingewiesen, dass "viel mehr Rechenleistung als erwartet" benötigt würde, während man selbst noch "viel optimistischer" gewesen sei. Das gelte vor allem für das urbane Fahren.

Der Leistungshunger der Steuergeräte bringt allerdings weitere Probleme mit sich. "Der nächste Schritt ist ganz klar: Ich brauche Wasserkühlung", sagte Denkelmann. Auch wenn mit sogenannten Latentwärmespeichern (Phase Change Material) eine bessere Kühlung als mit Wärmeleitmaterialien (Thermal Interface Material) erzielt werden könne, sei das nicht mehr ausreichend. Bei einer maximalen Umgebungstemperatur von 85 Grad Celsius und einer maximalen Sperrschichttemperatur von 105 Grad Celsius müsse das thermische Management "sehr gut funktionieren", sagte Denkelmann. Schon beim Design müsse daher das Kühlproblem berücksichtigt werden. Aptiv entwickele dazu spezielle Kühlkörper (Cold Plate) mit inneren Strukturen, die einen besonders hohen Wärmeaustausch ermöglichen sollen.

Autonomes Fahren verliert an Effizienz

Da die Kühlung der Steuergeräte sicherheitskritisch wird, muss sie künftig auch die Anforderungen nach ASIL D erfüllen. Das bedeutet laut Aptiv, dass das Notfallsteuergerät nicht am selben Kühlkreislauf hängen darf. Neben der Wasserkühlung könnte es daher eine zusätzliche Luftkühlung geben, um die Funktion sicherzustellen.

Der Leistungsbedarf der Steuerelektronik könnte dabei einen erhofften Nebeneffekt des autonomen und vernetzten Fahrens konterkarieren. So wird häufig argumentiert, dass sich durch bessere Vernetzung und Steuerung des Verkehrs eine größere Effizienz erzielen lässt (PDF). Für Denkelmann dürfte es jedoch eine Herausforderung darstellen, ein bis zwei Kilowatt durch effizienteres Fahren und besseres Verkehrsmanagement einzusparen. Das sei "ein signifikantes Problem" und könne die Einführung der Technik verzögern, sagte Denkelmann. Während das Problem beispielsweise bei autonomen Taxidiensten nicht so sehr ins Gewicht falle, könnte das für den normalen Nutzer ein "schwieriges Thema" werden. Allerdings werde die maximale Leistung von 800 Watt nicht in jeder Situation benötigt.

Tesla verfolgt anderes Konzept

Die von Aptiv dargestellten Szenarien unterscheiden sich dabei deutlich von der Systemarchitektur, die der Elektroautobauer Tesla Ende April 2019 vorgestellt hatte. So soll der neue FSD-Chip nur 72 Watt benötigen, wobei FSD für "Full Self Driving" steht. Allerdings muss Tesla nur die Daten von acht Kameras, einem Radar und zwölf Ultraschallkameras verarbeiten und hat das System offenbar nicht für eine Ausfallsicherheit nach ASIL D ausgelegt.

Doch nach der einhelligen Meinung aller Referenten auf der VDI-Tagung in München sind für das Fahren in den Automatisierungsstufen 4 und 5 deutlich mehr Sensoren erforderlich, als derzeit für Assistenzsysteme wie den Spurhalte- und Abstandsassistenten eingesetzt werden. Der Informationsdienst IHS Markit geht dabei von fünf bis zwölf Radarsensoren aus, die benötigt werden. Diese sollen künftig zudem bessere Ergebnisse durch die MIMO-Technik mit vielen Antennen liefern, wie sie beispielsweise schon in WLAN-Routern eingesetzt wird. Zudem sollen die Radare künftig in höheren Frequenzbereichen wie 76 bis 81 Gigahertz und darüber hinaus arbeiten. Die meisten Hersteller dürften außerdem Lidar-Systeme einsetzen, auch wenn diese zurzeit noch nicht tauglich für den Massenmarkt sind.

Steckbare Prozessoren erwünscht

Tesla-Chef Elon Musk wettet hingegen darauf, dass die Rechenleistung seines Systems in Verbindung mit einer optimierten Bilderkennung ausreicht, um ein Auto sicher autonom zu steuern. Inwieweit das bei widrigen Wetterbedingungen oder schlechten Sichtverhältnissen auf Basis von Kameradaten möglich ist, wird hingegen von den meisten Entwicklern bezweifelt. Was dazu führen könnte, dass sich das System häufig abschaltet. Das ist laut Denkelmann für die Aptiv-Kunden jedoch keine Option. "Am Ende wollen wir natürlich nicht, dass das Auto ständig auf der Autobahn sagt: Übernimm bitte wieder. Wir müssen das System so auslegen, dass es auch verfügbar ist."

Das System müsse darüber hinaus so ausgelegt werden, dass es kontinuierlich aktualisiert werden könne. Das gelte beispielsweise für neue Verkehrsregeln. Den Autoherstellern wäre es laut Denkelmann sogar am liebsten, wenn sie die Hardware wie bei einem PC-Rechner durch Stecksysteme austauschen könnten. Aptiv würde wiederum begrüßen, wenn es möglich wäre, eine hardware-unabhängige Software zu entwickeln. Dann könnten die Hersteller den Chiphersteller wechseln, wenn die Konkurrenz einen schnelleren Prozessor zur Verfügung stellte. Doch das sei eher noch Zukunftsmusik.  (fg)


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