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Dreifache modulare Redundanz (TMR)

1950
  • John von Neumann
Kontrollraum der Luft- und Raumfahrt mit drei parallelen Computermodulen für Fehlertoleranz.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

TMR (Triple Modular Redundancy) is a hardware fault-tolerance technique that uses three identical modules performing the same operation in parallel. Their outputs are fed into a majority-voting circuit. If one module fails and produces an incorrect output, the voter is still able to determine the correct output based on the other two modules, thus masking the fault and ensuring continuous operation.

Triple Modular Redundancy (TMR) is a classic example of N-modular redundancy, where N=3. The core idea is to replicate a critical component three times and have them all process the same input simultaneously. The results from these three modules are then passed to a voter. The voter implements a majority function; if at least two of the three inputs are identical, that value is selected as the final output. This mechanism effectively masks a single fault in any one of the modules. For instance, if Module A, B, and C produce outputs 1, 1, and 0 respectively, the majority voter will output 1.

Die Zuverlässigkeit des TMR-Systems hängt nicht nur von den Modulen, sondern auch vom Wähler selbst ab. Fällt der Wähler aus, fällt das gesamte System aus. Daher muss der Wähler deutlich zuverlässiger sein als die einzelnen Module, die er überwacht. In der Praxis sind Wähler oft einfacher aufgebaut als die von ihnen gesteuerten Module, was zu dieser höheren Zuverlässigkeit beiträgt. Die Gesamtzuverlässigkeit des Systems lässt sich mathematisch modellieren. Ist die Zuverlässigkeit eines einzelnen Moduls [latex]R_m[/latex], so ergibt sich die Zuverlässigkeit des TMR-Systems (bei einem perfekten Wähler) aus der Wahrscheinlichkeit, dass mindestens zwei Module korrekt funktionieren: [latex]R_{TMR} = R_m^3 + 3R_m^2(1-R_m) = 3R_m^2 ± 2R_m^3[/latex]. Diese Formel zeigt, dass TMR die Zuverlässigkeit nur dann verbessert, wenn die Zuverlässigkeit [latex]R_m[/latex] der einzelnen Module größer als 0,5 ist.

Historisch gesehen legte John von Neumanns Arbeit in den 1950er Jahren die theoretische Grundlage für den Aufbau zuverlässiger Systeme aus unzuverlässigen Komponenten und führte direkt zu Konzepten wie TMR. TMR wurde erstmals in Systemen praktisch eingesetzt, in denen ein Ausfall inakzeptabel war, wie beispielsweise im Digitalrechner der Saturn-V-Trägerrakete und in frühen Fly-by-Wire-Flugsteuerungssystemen. Obwohl TMR die Hardwarekosten, den Stromverbrauch und das Gewicht um mehr als das Dreifache erhöht (aufgrund des Wählers), machen seine Einfachheit und Effektivität bei der Behandlung einzelner zufälliger Hardwarefehler es zu einem Eckpfeiler für hochverfügbare und sicherheitskritische Systeme.

UNESCO Nomenclature: 1203
- Computerwissenschaften

Typ

Abstraktes System

Störung

Wesentliche

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Claude Shannons Informationstheorie und seine Arbeiten über Relaisschaltungen
  • John von Neumanns Vorlesungen über zuverlässiges Rechnen mit unzuverlässigen Komponenten
  • Early concepts of redundancy in biological systems
  • Basic principles of voting and majority logic

Anwendungen

  • aerospace systems (e.g., flight control computers)
  • Satelliten
  • nuclear power plant safety systems
  • fault-tolerant computer architectures

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

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Verwandt mit: dreifacher modularer Redundanz, TMR, Fehlermaskierung, Hardware-Redundanz, N-modularer Redundanz, Mehrheitsentscheidung, sicherheitskritischen Systemen, Luft- und Raumfahrt, von Neumann, Zuverlässigkeitstechnik.

Historischer Kontext

Dreifache modulare Redundanz (TMR)

1940
1943
1950
1950
1953
1960
1960
1939
1940
1950
1950
1952
1956
1960
1967

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

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