Wasserkühlung erforderlich: Leistungshunger von Auto-Rechnern soll stark steigen

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.