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Redundância Modular Tripla (TMR)

1950
  • John von Neumann
Sala de controle aeroespacial com três módulos de computador paralelos para tolerância a falhas.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

TMR (Triple Modular Redundancy) é uma técnica de tolerância a falhas de hardware que utiliza três módulos idênticos executando a mesma operação em paralelo. Suas saídas são conectadas a um circuito de votação majoritária. Se um módulo falhar e produzir uma saída incorreta, o circuito de votação ainda consegue determinar a saída correta com base nos outros dois módulos, mascarando assim a falha e garantindo a operação contínua.

A Redundância Modular Tripla (TMR) é um exemplo clássico de redundância N-modular, onde N=3. A ideia central é replicar um componente crítico três vezes e fazer com que todas processem a mesma entrada simultaneamente. Os resultados desses três módulos são então passados ​​para um votador. O votador implementa uma função de maioria; se pelo menos duas das três entradas forem idênticas, esse valor é selecionado como a saída final. Esse mecanismo mascara efetivamente uma única falha em qualquer um dos módulos. Por exemplo, se os módulos A, B e C produzirem as saídas 1, 1 e 0, respectivamente, o votador de maioria produzirá 1.

A confiabilidade do sistema TMR depende não apenas dos módulos, mas também do próprio votador. Se o votador falhar, todo o sistema falha. Portanto, o votador deve ser significativamente mais confiável do que os módulos individuais que monitora. Na prática, os votadores costumam ser circuitos mais simples do que os módulos que gerenciam, o que contribui para alcançar essa maior confiabilidade. A confiabilidade geral do sistema pode ser modelada matematicamente. Se a confiabilidade de um único módulo for [latex]R_m[/latex], a confiabilidade do sistema TMR (assumindo um votador perfeito) é dada pela probabilidade de que pelo menos dois módulos funcionem corretamente: [latex]R_{TMR} = R_m^3 + 3R_m^2(1-R_m) = 3R_m^2 – 2R_m^3[/latex]. Esta fórmula mostra que o TMR melhora a confiabilidade somente se a confiabilidade individual do módulo [latex]R_m[/latex] for maior que 0,5.

Historicamente, o trabalho de John von Neumann na década de 1950 lançou as bases teóricas para a construção de sistemas confiáveis ​​a partir de componentes não confiáveis, o que levou diretamente a conceitos como o TMR (Transparent Management Response). Sua implementação prática inicial ocorreu em sistemas onde a falha não era uma opção, como o computador digital do veículo de lançamento Saturno V e os primeiros sistemas de controle de voo fly-by-wire. Embora o TMR aumente o custo do hardware, o consumo de energia e o peso em mais de três vezes (devido ao fator de ativação), sua simplicidade e eficácia no tratamento de falhas aleatórias de hardware o tornam um pilar fundamental no projeto de sistemas de alta disponibilidade e segurança crítica.

UNESCO Nomenclature: 1203
Ciência da Computação

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Substancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Teoria da informação de Claude Shannon e seu trabalho sobre circuitos de relés.
  • Palestras de John von Neumann sobre computação confiável com componentes não confiáveis
  • Conceitos iniciais de redundância em sistemas biológicos
  • Princípios básicos de votação e lógica da maioria

Aplicações

  • sistemas aeroespaciais (ex: computadores de controle de voo)
  • satélites
  • sistemas de segurança de usinas nucleares
  • arquiteturas de computador tolerantes a falhas

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

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Relacionado a: redundância tripla modular, TMR, mascaramento de falhas, redundância de hardware, redundância N-modular, votação majoritária, sistemas críticos para a segurança, aeroespacial, von Neumann, engenharia de confiabilidade.

Contexto histórico

Redundância Modular Tripla (TMR)

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

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

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