В вычислении , тройной модульной избыточности , иногда называемый тройной режим резервирования , [1] ( ПМР ) является отказоустойчивой форма N-модульной избыточности , в котором три системы выполняют процесс , и этот результат обрабатывается системой большинства голосования для получения единственного вывода. Если одна из трех систем выходит из строя, две другие системы могут исправить и замаскировать неисправность.
Концепция TMR может применяться ко многим формам избыточности , таким как избыточность программного обеспечения в форме программирования N-версии , и обычно встречается в отказоустойчивых компьютерных системах .
В космических спутниковых системах часто используется TMR [2] [3], хотя спутниковая RAM обычно использует коррекцию ошибок Хэмминга . [4]
В некоторых модулях памяти ECC используется оборудование с тройным модульным резервированием (а не более распространенный код Хэмминга ), потому что оборудование с тройным модульным резервированием быстрее, чем программное обеспечение для исправления ошибок Хэмминга. [5] Некоторые системы связи используют N-модульное резервирование как простую форму прямого исправления ошибок . Например, 5-модульные системы связи с избыточностью (такие как FlexRay ) используют большинство из 5 выборок - если какие-либо 2 из 5 результатов ошибочны, остальные 3 результата могут исправить и замаскировать неисправность.
Модульное резервирование - это базовая концепция, восходящая к глубокой древности, тогда как первым применением TMR в компьютере был чехословацкий компьютер SAPO в 1950-х годах.
Хронометры [ править ]
Для использования тройного модульного резервирования на корабле должно быть не менее трех хронометров ; два хронометра обеспечивали двойное модульное резервирование , позволяя выполнять резервное копирование в случае прекращения работы одного из них, но не позволяя исправлять ошибки, если два хронометра отображали разное время, поскольку в случае противоречия между двумя хронометрами было бы невозможно узнать, какой из них был неверно ( обнаружение ошибки будет таким же, как при наличии только одного хронометра и его периодической проверки). Три хронометра обеспечивали тройное модульное резервирование, позволяя исправлять ошибки, если один из трех был неправильным, поэтому пилот брал среднее из двух с более близкими показаниями (голосование за среднюю точность).
На этот счет есть старая пословица: «Никогда не выходите в море с двумя хронометрами; возьмите один или три». [6]
В основном это означает, что если два хронометра противоречат друг другу, как узнать, какой из них правильный? В свое время это наблюдение или правило было дорогостоящим, поскольку стоимость трех достаточно точных хронометров превышала стоимость многих типов небольших торговых судов. [7] На некоторых судах было более трех хронометров - например, на HMS Beagle было 22 хронометра . [8] Однако такое большое количество обычно выполнялось только на судах, проводивших изыскательские работы, как в случае с « Биглем» .
В современную эпоху, корабли в море использования GNSS навигационных приемников (с GPS , ГЛОНАСС и WAAS и т.д. поддержка) - в основном работает с WAAS или EGNOS поддержку , с тем, чтобы обеспечить точное время (и место).
Логический вентиль большинства [ править ]
| ВХОД | ВЫХОД | ||
|---|---|---|---|
| А | B | C | 〈A, B, C〉 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 |
В TMR три идентичные логические схемы (логические вентили) используются для вычисления одного и того же набора указанной булевой функции. Если отказов цепей нет, выходы трех цепей идентичны. Но из-за сбоев схемы выходы трех схем могут отличаться.
Логический вентиль большинства используется, чтобы решить, какой из выходов схемы является правильным выходом. Выход мажоритарного гейта равен 1, если два или более входов мажоритарного вентиля равны 1; output равен 0, если два или более входов большинства вентилей равны 0.
Мажоритарный логический вентиль представляет собой простую схему И – ИЛИ: если входы в мажоритарный вентиль обозначены x, y и z, то выход мажоритарного элемента равен
Таким образом, большинство ворота является выходным сигналом переноса из полного сумматора , то есть, большинство ворота является машиной для голосования . [9]
Операция TMR [ править ]
Предполагая, что логическая функция, вычисленная тремя идентичными логическими вентилями, имеет значение 1, тогда: (a) если ни одна из схем не вышла из строя, все три схемы выдают на выходе значение 1, а выход большинства вентилей имеет значение 1. (b) если один Схема выходит из строя и выдает на выходе 0, в то время как два других работают правильно и выдают на выходе 1, выход большинства вентилей равен 1, т. е. он все еще имеет правильное значение. И аналогично для случая, когда логическая функция, вычисленная тремя идентичными схемами, имеет значение 0. Таким образом, выход большинства вентилей гарантированно будет правильным, пока не вышла из строя не более чем одна из трех идентичных логических схем. [9]
Для системы TMR с одним избирателем надежности (вероятности работы) R v и тремя компонентами надежности R m , вероятность того, что она будет правильной, может быть показана как R TMR = R v (3 R m 2 - 2 R m 3 ) . [10]
Системы TMR должны использовать очистку данных - периодически перезаписывать триггеры - во избежание накопления ошибок. [11]
Избиратель [ править ]
Сама система ворот большинства могла выйти из строя. От этого можно защититься, применив тройное резервирование самих избирателей. [12]
В некоторых системах TMR, таких как цифровой компьютер ракеты-носителя Saturn и системы функционального тройного модульного резервирования (FTMR) , избиратели также троекратны. Используются три избирателя - по одному на каждую копию следующего этапа логики TMR. В таких системах нет единой точки отказа . [13] [14]
Несмотря на то, что использование только одного избирателя приводит к единственной точке отказа - неудачливый избиратель приведет к выходу из строя всей системы - большинство систем TMR не используют трехкратных избирателей. Это связано с тем, что большинство ворот намного менее сложны, чем системы, от которых они защищаются, поэтому они намного надежнее . [9] Используя расчеты надежности, можно найти минимальную надежность избирателя для того, чтобы TMR стал победителем. [10]
Общий случай [ править ]
Общий случай TMR называется N-модульной избыточностью , в которой используется любое положительное количество повторений одного и того же действия. Число обычно принимается равным по крайней мере трем, чтобы можно было исправить ошибку большинством голосов; это также обычно считается странным, чтобы не было никаких связей. [10]
В популярной культуре [ править ]
- Три предварительных винтика в Minority Report приводят к осуждению, даже если кто-то не согласен.
- Чтобы исключить, что единственная победа была «случайностью», в некоторых соревнованиях используется матч «два из трех падений» . Однако это не соответствует действительности TMR, потому что три падения не являются независимыми друг от друга - каждый участник знает, у кого больше всего падений в любой момент соревнования, что влияет на их дальнейшие действия.
- В научно-фантастическом романе Артура Кларка « Свидание с Рамой» Раманы широко используют тройную избыточность.
- В популярном аниме Neon Genesis Evangelion волхвы - это набор из трех биологических суперкомпьютеров, которые должны согласиться с большинством в 2/3 голосов, прежде чем принять решение.
См. Также [ править ]
- Отказоустойчивая система
- Lockstep (вычисления)
- Код повтора
- Закон Сигала
Ссылки [ править ]
- ^ «Дэвид Раттер.« FPGA на Марсе » » (PDF) . Проверено 30 мая 2020 года .
- ^ «Инженеры Actel используют трехмодульное резервирование в новых ПЛИС Rad-Hard» . Военная и аэрокосмическая электроника . Проверено 9 апреля 2017 .
- ^ ECSS-Q-HB-60-02A : Справочник по методам снижения радиационных эффектов в ASIC и FPGA.
- ^ "Коммерческие технологии микроэлектроники для приложений в спутниковой радиационной среде" . radhome.gsfc.nasa.gov . Проверено 30 мая 2020 года .
- ^ "Использование StrongArm SA-1110 в бортовом компьютере наноспутника" . Космический центр Цинхуа, Университет Цинхуа, Пекин. Архивировано из оригинала на 2011-10-02 . Проверено 16 февраля 2009 .
- ^ Брукс, Фредерик Дж. (1995) [1975]. Мифический человеко-месяц . Эддисон-Уэсли. п. 64 . ISBN 978-0-201-83595-3.
- ^ "Re: Долгота как романтика" . Irbs.com, список рассылки по навигации. 2001-07-12. Архивировано из оригинала на 2011-05-20 . Проверено 16 февраля 2009 .
- ^ Р. Фицрой. «Том II: Труды Второй экспедиции» . п. 18.
- ^ a b c Дилип В. Сарват, Лекционные заметки для ECE 413 - Вероятность с инженерными приложениями, Департамент электротехники и вычислительной техники (ECE) , Инженерный колледж UIUC , Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн
- ^ a b c Shooman, Мартин Л. (2002). «N-модульное резервирование». Надежность компьютерных систем и сетей: отказоустойчивость, анализ и проектирование . Wiley-Interscience. стр. 145 -201. DOI : 10.1002 / 047122460X.ch4 . ISBN 9780471293422. Примечания к курсу
- ^ Заболотный, Войцех М .; Кудла, Игнаций М .; Позняк, Кшиштоф Т .; Бунковски, Кароль; Кежковский, Кшиштоф; Врохна, Гжегож; Кроликовски, Ян (16 сентября 2005 г.). «Радиационно-стойкий дизайн системы RLBCS для детектора RPC в эксперименте на LHC». В Романюке, Ryszard S .; Симрок, Стефан; Лутковский, Владимир М. (ред.). Применение фотоники в промышленности и исследованиях IV . 5948 . Варшава, Польша. стр. 59481E. DOI : 10.1117 / 12.622864 .
- ^ AW Krings. «Резервирование» .2007
- ^ Санди Habinc (2002). «Функциональная тройная модульная избыточность (FTMR): методология проектирования VHDL для избыточности в комбинаторной и последовательной логике» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 05.06.2012.
- ^ Лион, RE; Вандеркулк, В. (апрель 1962 г.). «Использование тройной модульной избыточности для повышения надежности компьютера» (PDF) . Журнал исследований и разработок IBM . 6 (2): 200–209. DOI : 10.1147 / rd.62.0200 .
Внешние ссылки [ править ]
- Статья о TMR применительно к использованию TMR в авионике и промышленности.
- Джонсон, Дж. М., и Виртлин, М. Дж. (2010, февраль). Алгоритмы вставки избирателя для проектов FPGA с использованием тройного модульного резервирования. В материалах 18-го ежегодного международного симпозиума ACM / SIGDA по программируемым вентильным массивам (стр. 249–258). ACM.
