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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.

The reliability of the TMR system depends not only on the modules but also on the voter itself. If the voter fails, the entire system fails. Therefore, the voter must be significantly more reliable than the individual modules it is monitoring. In practice, voters are often simpler circuits than the modules they manage, which helps in achieving this higher reliability. The overall system reliability can be modeled mathematically. If the reliability of a single module is [latex]R_m[/latex], the reliability of the TMR system (assuming a perfect voter) is given by the probability that at least two modules work correctly: [latex]R_{TMR} = R_m^3 + 3R_m^2(1-R_m) = 3R_m^2 – 2R_m^3[/latex]. This formula shows that TMR improves reliability only if the individual module reliability [latex]R_m[/latex] is greater than 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 flight control 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
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)

Princípios relacionados à invenção, inovação e tecnologia

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