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Tripla ridondanza modulare (TMR)

1950
  • John von Neumann
Sala di controllo aerospaziale con tre moduli informatici paralleli per la tolleranza ai guasti.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

TMR (Triple Modular Redundancy) è una tecnica di tolleranza ai guasti hardware che utilizza tre moduli identici che eseguono la stessa operazione in parallelo. Le loro uscite vengono immesse in un circuito a maggioranza. Se un modulo si guasta e produce un'uscita errata, il votante è comunque in grado di determinare l'uscita corretta in base agli altri due moduli, mascherando così il guasto e garantendo la continuità di funzionamento.

La ridondanza modulare tripla (TMR) è un classico esempio di ridondanza N-modulare, dove N = 3. L'idea di base è quella di replicare un componente critico tre volte e far sì che tutti elaborino lo stesso input simultaneamente. I risultati di questi tre moduli vengono quindi trasmessi a un votante. Il votante implementa una funzione di maggioranza: se almeno due dei tre input sono identici, quel valore viene selezionato come output finale. Questo meccanismo maschera efficacemente un singolo errore in uno qualsiasi dei moduli. Ad esempio, se i moduli A, B e C producono rispettivamente gli output 1, 1 e 0, il votante di maggioranza produrrà l'output 1.

L'affidabilità del sistema TMR non dipende solo dai moduli, ma anche dal votante stesso. Se il votatore si guasta, si guasta l'intero sistema. Pertanto, il votante deve essere significativamente più affidabile dei singoli moduli che controlla. In pratica, i votanti sono spesso circuiti più semplici dei moduli che gestiscono, il che aiuta a raggiungere questa maggiore affidabilità. L'affidabilità complessiva del sistema può essere modellata matematicamente. Se l'affidabilità di un singolo modulo è [latex]R_m[/latex], l'affidabilità del sistema TMR (assumendo un votante perfetto) è data dalla probabilità che almeno due moduli funzionino correttamente: [latex]R_{TMR} = R_m^3 + 3R_m^2(1-R_m) = 3R_m^2 - 2R_m^3[/latex]. Questa formula mostra che il TMR migliora l'affidabilità solo se l'affidabilità del singolo modulo [latex]R_m[/latex] è maggiore di 0,5.

Storicamente, il lavoro di John von Neumann negli anni '50 ha gettato le basi teoriche per la costruzione di sistemi affidabili a partire da componenti inaffidabili, portando direttamente a concetti come il TMR (Total Multi-Reliability). La sua implementazione pratica è stata inizialmente riscontrata in sistemi in cui il guasto non era un'opzione, come il computer digitale del vettore di lancio Saturn V e i primi sistemi di controllo di volo fly-by-wire. Sebbene il TMR aumenti i costi hardware, il consumo energetico e il peso di oltre tre volte (a causa del circuito di controllo), la sua semplicità ed efficacia nella gestione di singoli guasti hardware casuali lo rendono un elemento fondamentale nella progettazione di sistemi ad alta disponibilità e critici per la sicurezza.

UNESCO Nomenclature: 1203
- Informatica

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Sostanziale

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • La teoria dell'informazione e il lavoro sui circuiti a relè di Claude Shannon
  • Le lezioni di John von Neumann sul calcolo affidabile con componenti inaffidabili
  • Primi concetti di ridondanza nei sistemi biologici
  • Principi fondamentali del voto e logica maggioritaria

Applicazioni

  • sistemi aerospaziali (ad esempio, computer di controllo di volo)
  • satelliti
  • sistemi di sicurezza delle centrali nucleari
  • architetture informatiche tolleranti ai guasti

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

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Contesto storico

Tripla ridondanza modulare (TMR)

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

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

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