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Funktionssicherheit und verbesserte „Uptime“ durch TMR

Den Ausfall eines elektronischen Systems möchte niemand erleben. Gerade dann, wenn die Schaltung in Applikationen mit besonderen Anforderungen an die funktionale Sicherheit eingesetzt wird. Die Implementierung sicherheitsrelevanter Funktionen mittels FPGA‘s ist in elektronischer Systemen mittlerweile weit verbreitet. „Programmierbare Logik“ wird ebenfalls genutzt, um die korrekte Funktion anderer Chips auf dem Board zu überwachen und auf entsprechende Fehlfunktionen zu reagieren. Als zentralen Bestandteil ihrer FPGA-basierten Systeme integrieren Hardware-Entwickler mittlerweile spezielle Schaltkreise zur Fehlererkennung und sogar zur Eliminierung von Fehlfunktionen. Diese Schaltkreise erweitern nicht den eigentlichen Umfang der zu implementierenden Funktionalität, sondern dienen ausschließlich zum Schutz gegen Systemausfälle. Seit einiger Zeit sieht sich der Entwickler elektronischer Systeme mit einer bisher kaum als relevant angesehenen Problematik konfrontiert: Durch Strahlung induzierte Fehler. Solche Fehler sind bereits seit langem als Problem in Raumfahrtanwendungen bekannt und werden dort mit speziell qualifizierten Bauteilen oder mit aufwändigen Design-Techniken adressiert. Noch relativ neu ist, dass FPGAs (genau wie andere elektronische Bauteile auch) mittlerweile sogar in terrestrischen Anwendungen anfällig für strahlungsinduzierte Fehler sind. Bedingt wird diese Entwicklung durch Fortschritte in der verwendeten FPGA-Prozess-Technologie. Als ursächlich für diese Problematik ist die Nutzung immer kleinerer Prozessgeometrien anzusehen. Prozess-Strukturen im Nanometer-Bereich führen dazu, dass bereits eine geringe (über externe Strahlung induzierte) Ladungsmenge zur Generierung von Glitches mit signifikanter Signalhöhe geeignet ist. Auch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass wegen der steigenden Schaltgeschwindigkeiten selbst ein extrem kurzer Glitch die Schaltungsfunktionalität beeinflussen kann.

Das Thema “Functional Safety” hat mittlerweile Bedeutung für eine Vielzahl von Applikationen erlangt. Anders als in der Vergangenheit, als einige wenige Anwendungen besonderen Anforderungen bezüglich ihrer Funktionssicherheit genügen mussten, sind heutzutage eine Vielzahl von Anwendungen ähnlichen Kriterien unterworfen. Wurde früher beispielsweise die in Satelliten eingesetzte Elektronik besonders abgesichert, um fehlerfreien Betrieb zu gewährleisten, muss eine solche Fehler-Toleranz heutzutage auch in „alltäglichen Anwendungen“ bereitgestellt werden. Der Grund hierfür ist einleuchtend: Elektronische Bauteile übernehmen mittlerweile Schlüsselfunktionen in praktisch allen Bereichen des täglichen Lebens. Und es sind nicht nur solche Applikationen, deren Nutzung einen direkten Einfluss auf die Unversehrtheit des menschlichen Lebens nimmt. Die Notwendigkeit eines fehlerfreien Betriebs elektronischer Bauteile im medizinischen Bereich oder auch in der Automobiltechnik wird heutzutage als Selbstverständlichkeit wahrgenommen. Mittlerweile ist es aber so, dass auch Fehlfunktionen in Kommunikationssystemen oder ähnlichen Anwendungen keine- oder nur sehr geringe Margen bei der Fehlertoleranz aufweisen dürfen. Denn Fehlfunktionen bei der Bereitstellung solcher Dienste können sich auf Millionen von Anwendern auswirken und daher in immensen Kosten resultieren.

Glücklicherweise stehen mittlerweile Automatismen zur Verfügung, die unerwünschen Beeinflussungen durch das Auftreten solcher — durch externe Einflüsse induzierten Schaltungsfehler — von vorneherein korrigieren. Und, wenn das nicht möglich ist, über das Detektieren von Schaltungsfehlfunktionen zumindest die Auswirkungen dieser externen Einflüsse, Systemfehler, minimieren.

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