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Redondance modulaire triple (TMR)

1950
  • John von Neumann
Salle de contrôle aérospatiale avec trois modules informatiques parallèles pour la tolérance aux pannes.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

La redondance modulaire triple (TMR) est une technique de tolérance aux pannes matérielle qui utilise trois modules identiques effectuant la même opération en parallèle. Leurs sorties sont acheminées vers un circuit de vote majoritaire. Si un module tombe en panne et produit une sortie incorrecte, le circuit majoritaire peut néanmoins déterminer la sortie correcte grâce aux informations fournies par les deux autres modules, masquant ainsi la panne et assurant la continuité de fonctionnement.

La redondance modulaire triple (TMR) est un exemple classique de redondance modulaire N, où N=3. Le principe consiste à répliquer un composant critique trois fois et à faire en sorte que ces trois modules traitent simultanément la même entrée. Les résultats de ces trois modules sont ensuite transmis à un votant. Ce dernier utilise une fonction majoritaire : si au moins deux des trois entrées sont identiques, cette valeur est sélectionnée comme sortie finale. Ce mécanisme masque efficacement une panne dans l'un des modules. Par exemple, si les modules A, B et C produisent respectivement les sorties 1, 1 et 0, le votant majoritaire produira la sortie 1.

La fiabilité du système TMR dépend non seulement des modules, mais aussi du contrôleur lui-même. Si ce dernier tombe en panne, le système entier est hors service. Par conséquent, le contrôleur doit être nettement plus fiable que les modules individuels qu'il surveille. En pratique, les contrôleurs sont souvent des circuits plus simples que les modules qu'ils gèrent, ce qui contribue à atteindre cette fiabilité accrue. La fiabilité globale du système peut être modélisée mathématiquement. Si la fiabilité d'un module est Rm, la fiabilité du système TMR (en supposant un contrôleur parfait) est donnée par la probabilité qu'au moins deux modules fonctionnent correctement : RTMR = Rm3 + 3Rm2(1-Rm) = 3Rm2 - 2Rm3. Cette formule montre que le TMR améliore la fiabilité uniquement si la fiabilité individuelle d'un module, Rm, est supérieure à 0,5.

Historically, John von Neumann’s work in the 1950s laid the theoretical groundwork for building reliable systems from unreliable components, which directly led to concepts like TMR. It was first implemented in practice in systems where failure was not an option, such as the Saturn V launch vehicle’s digital computer and early fly-by-wire commande de vol systems. While TMR increases hardware cost, power consumption, and weight by a factor of more than three (due to the voter), its simplicity and effectiveness in handling single random hardware faults make it a cornerstone of high-availability and safety-critical system design.

UNESCO Nomenclature: 1203
- Informatique

Taper

Système abstrait

Perturbation

Substantiel

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • La théorie de l'information et les travaux de Claude Shannon sur les circuits de relais
  • Les cours de John von Neumann sur le calcul fiable avec des composants non fiables
  • Premiers concepts de redondance dans les systèmes biologiques
  • Principes fondamentaux du vote et de la logique majoritaire

Applications

  • systèmes aérospatiaux (par exemple, ordinateurs de contrôle de vol)
  • satellites
  • systèmes de sûreté des centrales nucléaires
  • architectures informatiques tolérantes aux pannes

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • quadruple redondance modulaire pour la gestion de deux pannes simultanées
  • circuits intégrés auto-réparateurs avec cellules TMR reconfigurables
  • Les systèmes TMR adaptatifs peuvent mettre hors tension les modules redondants pour économiser de l'énergie lorsque le risque de panne est faible.
  • Mise en œuvre de TMR dans un logiciel pour la validation des processus critiques
  • distributed TMR across networked microcontrollers for IoT device clusters
  • TMR pour la sécurisation des qubits de l'informatique quantique contre les erreurs de décohérence
  • TMR dynamique où les modules de rechange ne sont activés qu'en cas de détection de panne
  • Systèmes de mémoire hybrides TMR-ECC pour une intégrité des données améliorée
  • TMR-based réseau neuronal architectures for robust AI decision-making
  • systèmes TMR vérifiables utilisant des méthodes formelles pour des applications de sécurité certifiées
Lié à : redondance modulaire triple, TMR, masquage des défauts, redondance matérielle, redondance N-modulaire, vote majoritaire, systèmes critiques pour la sécurité, aérospatiale, von Neumann, ingénierie de la fiabilité.

Contexte historique

Redondance modulaire triple (TMR)

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

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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