Redundância Modular Tripla

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1 Instituto Superior de Engenharia do Porto Mestrado de Engenharia Electrotécnica Automação e Sistemas Disciplina de Síntese Alto Nível de Componentes Programáveis Redundância Modular Tripla Elaborado por: Diogo Pontes n.º João Vieira n.º Página 1

2 I. Resumo A Redundância Modular Tripla é uma técnica usada para reduzir o número de erros em um sistema, através da triplicação e comparação dos resultados dos processos. No entanto, esta técnica apresenta uma limitação nos circuitos sequenciais. Para resolver esta situação, foi desenvolvida a técnica de Redundância Modular Tripla Espaço-Tempo. O modo de funcionamento desta técnica é aqui demonstrado. Página 2

3 II. Índice I. Resumo... 2 II. Índice... 3 III. Objectivos Introdução Erros de Conteúdo Erros de Conteúdo em Circuitos Sequenciais Erros de Conteúdo em Circuitos Combinatórios Redundância Modular Tripla Introdução Técnica de Redundância Modular Tripla Espacial-Temporal Conclusão Página 3

4 III. Objectivos O objectivo deste relatório é fazer uma introdução aos erros causados pelas falhas nos circuitos integrados e a uma forma de evitar estes erros a utilização de Redundância Modular Tripla. No entanto, esta técnica possui algumas limitações no que toca a falhas ocorridas em circuitos combinatórios. Como tal foi desenvolvido a técnica de Redundância Modular Tripla Espaço-Tempo aqui apresentada, que propõe uma resolução para este problema. Página 4

5 1. Introdução Os Circuitos Integrados usados em sistemas computacionais e em outros sistemas electrónicos a operar sob radiação são susceptíveis a um fenómeno conhecido como Perturbações de Evento Único (Single Event Upset SEU), ou erro de conteúdo. Um erro de conteúdo é um efeito transiente induzido pela passagem de uma única partícula carregada através do silicone. Devido ao constante encolhimento nas dimensões dos transístores, partículas uma altura consideradas sem importância, são agora significativas ao ponto de causar perturbações, o que pode afectar a operação do IC. Como os sistemas computacionais são usados em ambientes expostos a radiações, como veículos espaciais, satélites e alguns sistemas militares, a tolerância a falhas e a fiabilidade do IC deveria ser melhorada de modo a manter os sistemas a funcionarem correctamente em ambientes hostis. Página 5

6 2 Erros de Conteúdo 2.1. Erros de Conteúdo em Circuitos Sequenciais A maior contribuição para a Taxa de Erros de Conteúdo (Soft Error Rate SER) provém de circuitos sequenciais presentes nos microprocessadores actuais. Circuitos sequenciais referem sempre a diferentes elementos de armazenamento diferentes, tal como registos, memórias e flip-flops em geral. Um erro de conteúdo nestes circuitos pode conduzir a uma execução errada. Os elementos de armazenamento ocupam uma grande parte da área dos chips nos microprocessadores modernos. Como resultado, a maioria dos microprocessadores modernos já incorpora mecanismos para detectar erros de conteúdo, tal como a técnica de Redundância Modular Tripla Erros de Conteúdo em Circuitos Combinatórios Uma partícula que ataca uma junção p-n dentro de um circuito combinatório poderá alterar o valor produzido pelo circuito. No entanto, uma carga transiente em um circuito combinatório não afectará os resultados da computação a não ser que seja captada por um circuito sequencial. Mudanças transientes no sinal de clock ou no sinal de reset irão causar que o circuito execute incorrectamente a sua operação. Página 6

7 3. Redundância Modular Tripla 3.1. Introdução Em computação, a Redundância Modular Tripla (Triple Modular Redundancy TMR) é uma forma de redundância N-modular tolerante a falhas, na qual três sistemas realizam um processo e esse resultado é processado por um sistema de votação de modo a produzir uma única saída (fig. 1). Figura 1 O sistema de votação irá seleccionar a saída da maioria dos componentes. Assim, se um componente falhar, o erro não será reflectido na saída do sistema de votação. O sistema de votação é implementado através de alguns gates lógicos, para cada bit (fig. 2). Página 7

8 Figura 2 A Redundância Modular Tripla (RMT) já provou ser eficaz em proteger elementos de memória, ou circuitos sequenciais. Mas a RMT convencional descrita acima não consegue esconder as falhas dos circuitos combinatórios. Como evidenciado na figura 3, registos redundantes da RMT convencional são controlados pelo mesmo clock. Quando a falha do circuito combinatório se propaga para o circuito sequencial na subida do sinal de clock, os três registos irão capturar a falha. Similarmente, quando um erro de conteúdo ocorre no sinal de clock ou no sinal de reset, todas as células de armazenamento redundantes irão executar incorrectamente. Figura 3 Página 8

9 3.2. Técnica de Redundância Modular Tripla Espacial-Temporal Um método simples para melhorar a tolerância a erros de conteúdo nos circuitos combinatórios é reduzir a possibilidade de a falha ser capturada pelo circuito sequencial. Baseado na redundância espacial da RMT convencional (S-TMR), um novo tipo de RMT adicionando redundância temporal é de seguida apresentado. Como mostra a figura 4, a Redundância Modular Tripla Espacial-Temporal (RMT-ET) triplica o clock em cada um dos estilos da RMT. Ao deformar o clock com um atraso δ, a tolerância a falhas do circuito combinatório é melhorada. Desde que o comprimento da falha seja menor que a deformação do clock, e apesar de a falha do circuito combinatório ser capturada na subida de um dos clock, os outros dois elementos sequenciais não captam a falha. Figura 4 A RMT-ET é também eficaz em esconder os erros de conteúdo no sinal de clock e no sinal de reset devido à triplicação. Como existe uma deformação entre clocks, o sistema de votação da RMT-ET é modificado para votar no valor majoritário após a estabilização dos três sinais de clock. Apesar de a RMT e a RMT-ET possuírem arquitecturas similares, são diferentes em termos de tempo de atraso e capacidade de tolerância a falhas. Em termos de atraso, a RMT-ET é um pouco pior que a RMT. No entanto, o crescimento do atraso causado pela RMT-ET pode ser negligenciado comparado com o melhoramento da capacidade de tolerância a falhas. Página 9

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11 4. Conclusão É nos circuitos sequenciais que ocorrem os erros de conteúdo que podem originar falhas no sistema, enquanto que tais erros em circuitos combinatórios apenas originam falhas se os referidos erros forem captados por circuitos sequenciais. Demonstrou-se neste trabalho que uma das técnicas usadas para resolver este problema é a utilização da Redundância Modular Tripla, em que ao realizar-se triplamente o processo e passando os resultados por um sistema de votação, o erro originado não iria afectar o sistema. No entanto, foi evidenciado que se um erro ocorrer num circuito combinatório na subida do sinal de clock, esse erro irá ser propagado aos 3 processos e como tal um erro irá ser originado na saida do sistema de votação. Para anular estes erros, demonstrou-se que a utilização da técnica de Rednudância Modular Tripla Espacial- Temporal era eficaz, realizando uma simples deformação do sinal do clock, para que, no caso de haver um erro no sinal de clock ou no de reset, este apenas se propaga a um dos processos. Página 11