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27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus www.tdw2006.tu-cottbus.de

>> Visionen <<TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG

des Landes Brandenburg

BTU Cottbus – Lehrstuhl Technische Informatik

27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus

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TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG


Profil:• Entwurf und Test digitaler Schaltungen und Prozessoren,

Fehlererkennung, Selbstreparatur Beschäftigte: 5 wiss. MA• Bisher ca. 40 Studierende mit Studien-, Bachelor-, Master-, und

Diplomarbeiten Kernkompetenzen:• Test-Technologie, Selbstreparatur

www.informatik.tu-cottbus.de


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Thema:

Kann man zuverlässige Elektronik aus nicht zuverlässigen Teilen bauen?

Vortragender:

Prof. Dr.-Ing. Heinrich Vierhaus


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Ein Integrierter Schaltkreis


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Eingebettete ElektronikProzessor

Logik

Speicher

I / O - Baugruppen ( D / A )

Ein eingebettetes System ist ein (Mini-) Computer, der mit weitgehend fester Software Aufgaben von Steuerung, Regelung und Signalverarbeitung leistet:

- im Auto (Motorsteuerung, ABS, Fahrwerk-Regelung

- im PC (Keyboard, Bildschirm, Drucker)

- im Haushalt (Waschmaschine, Spülmaschine, etc.)


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Das Auto ohne Elektronik

T a n k M o t o rf u e l

S c h m u t z i g e L u f t ( m i t m e h r C O 2 )

S a u b e r eL u f t

D a s A u t o o h n e E l e k t r o n i k i s t d u r s t i g u n d p r o d u z i e r tg i f t i g e A b g a s e i n g r o ß e n M e n g e n .A u t o m a t i s c h e K o n t r o l l e d e r B r e m s e n ( A B S ) u n d d e sF a h r v e r h a l t e n s ( E S P ) s i n d n i c h t m ö g l i c h !

(bis ca. 1980)


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Das Auto mit Elektronik

Tank Motorfuel

Saubere Luft (mehr CO2)

Motor-Kontrolle

SchmutzigeLuft

(eingebetteterRechner)

Geringerer VerbrauchWesentlich weniger giftige AbgaseElektronik für die Sicherheit

(ca. 2006)


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Zukunftsmusik (??)

Tank Motorfuel

Saubere Luft (weniger CO2)

Motor-Kontrolle

SchmutzigeLuft

(besserer eingebetteterRechner !!)

Das Auto als Benzin-Erzeuger !

Geht das ??


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Eingebettete ElektronikEin Rechner ist immer dabei. Was ist anders ?

• Die Funktion ist „Echtzeit-kritisch“: Wenn der Rechner zu langsam ist, geht die Bremse nicht !

• Die Funktion ist sicherheitskritisch:Wenn die Elektronik versagt, können Menschen sterben !

• Die Elektronik muss lange halten:Lebensdauer von 15 Jahren (Auto), 25 Jahren (Flugzeuge) und 30 Jahren (Bahnsysteme) !

• Die Elektronik muss robust seinHohe /tiefe Temperaturen( -40 bis + 120 Grad), Vibrationen, Feuchtigkeit

• Die Elektronik darf nicht viel Strom brauchen:Auch die Autobatterie hält nicht ewig !


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2. Wo Fehler herkommenDas System ist falsch geplant (Spezifikationsfehler):Beispiel: Die Steuerelektronik für das Flugzeug

kennt die Höhe über Grund nicht.

Die Elektronik ist falsch entworfen.Beispiel: Ein Transistor ist nicht angeschlossen

Die Software ist falsch entworfen.Beispiel: Befehl „Addition“ statt „Subtraktion“.

Die Elektronik-Hardware hat Fertigungsfehler. Beispiel: Unterbrochene Leitungen auf dem Chip

Fehler durch Störungen / Überlastung / Ausfall:Beispiel: Das Handy funkt in die Auto-Elektronik

.. können permanente oder transiente Fehler machen !


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Kann man Fehler erkennen und vermeiden ?Spezifikationsfehler:Man muss das gesamte System (Auto, Flugzeug)entweder im Rechner nachbilden und simulieren oder„ausprobieren“.

Entwurfsfehler:Fehlererkennung noch bei der Konstruktion am Rechnerdurch Simulation oder formale Verfahren.

Fehler durch Ausfälle im Betrieb (permanent)oder durch Störungen (transient):Dafür gibt es Techniken der Fehlererkennungund Fehlerkorrektur !


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Fehler in der Hardware(wie die Chips spinnen..)

Permanente statisch Fehler (Ständigfehler):Treten permanent auf und sind reproduzierbar

Permanente dynamische Fehler:Treten reproduzierbar nur bei bestimmten

Belastungen, Geschwindigkeiten etc. auf.

Intermittierende Fehler:Treten manchmal und manchmal nicht auf, schwerreproduzierbar

Transiente Fehler:Treten sporadisch auf und sind nicht reproduzierbar.


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Typisierung von Fehlern

t

U(t)

t

U(t) statischer Fehler

t

U(t)dynamischer Fehler


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3. Fehlererkennung

Zeit

Spannung

Bei einem digitalen Signal steckt die Informationin der Erkenntnis, ob eine Spannung oberhalb eines„minimalen“ 1- Wertes oder unterhalb eines maximalen„0“ –Wertes ist.

Uhmin

Ulmax

Dann ist der Vergleich mit einfachen Baugruppen

möglich !


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Analoge Signale

t

U(t)Sprache

Störung


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Exklusiv-Oder-Schaltungzur Fehlererkennung

= 1

x

y

out

Wahrheitstabelle

x y out0 0 01 0 10 1 11 1 0

gleiche

ungleiche Eingänge


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Die Dreifachauslegung (Triple Modular Redundancy- TMR)

Prozessor /Hardware

Speicher / SW

Prozessor /Hardware

Speicher / SW

Prozessor /Hardware

Speicher / SW

1

1

2

2

3

3

Sensoren

WandlerVergleicher

Wandler Stellglieder

Mehrheits -entscheidung

Mittels „Mehrheitsentscheidung“ werden einzelneFehler gefunden, erkannt und behoben. Sicher aber teuer !


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Das Watchdog-Prinzip

Haupt-Prozessor Speicher

Test-Prozessor

Überwachung

I / O

Prozess

(Watchdog)

Reset

Standard in der Automobil-Elektronik !


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Mehrheitsentscheidung bei Software

Rechner

Programm

Daten 1

Daten 2

Daten 3

Run 1

Run 2

Run 3

Ver-gleich

Mehrheits-ergebnis

Kann transienteFehler erkennenund korrigieren !

Problem: 3-4-fache Rechenzeit !

Erkennt keine SW-Fehler und permanenten Fehler !


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Codierung und SignaturenDaten

Übertragung /Speicherung

Signatur

Daten

Signatur

Signatur

Vergleich

Fehler-meldung


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Codierung und Signaturen

0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1

6 mal 1-Werte, 6 mal 0-Werte

4 mal 0-1- Übergang

Signaturen:

3 mal 1-0- Übergang

Datenwort

Signatur-Information

0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0

Parity-Bit-Codierung

Ergänzung so, dass dieZahl der 1-en im Datenworteine gerade Zahl ist !

0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1

ParityBit


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Grenzen der Fehlererkennung

0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1Korrektes Datenwort

0 mit Parity-Bit

0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 Doppelfehler,gleiche Parität !

0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0

0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0

Doppelfehler,gleiche Zahl von1-Werten !


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4. Fehlerkorrektur

Wenn man weiß, welches Bit falsch ist, kannman es auch reparieren !

Es kostet eine Menge zusätzlicher Ressourcen !


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Hamming Codes1 0 1 1

Bit Nr. 3 2 1 0

Gruppe A: Bits 0, 1, 2

Gruppe B: Bits 1, 2, 3

Gruppe C: Bits 0, 2, 3

Parity Bit A

Parity Bit B

Parity Bit C

PBA und PBB falsch, C korrekt: Bit 1 ist falsch

PBB und PBC falsch, A korrekt: Bit 3 ist falsch

PBA und PBC falsch, B korrekt: Bit 0 ist falsch

Alle PBs falsch: Bit 2 ist falsch

Das fehlerhafte Bit kann erkannt und sogar repariertwerden !


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Wie viele Reparaturbits man brauchtEinzelfehler-Korrektur Einzelfehler-Korrektur /

Doppelfehler-Erkennung

Datenbits Check-Bits % Overhead Check-Bits % Overhead

8 4 50 5 62,5

16 5 31,25 6 37,5

32 6 18,75 7 21,875

64 7 10,94 8 12,5

128 8 6,24 9 7,03

256 9 3,52 10 3,91


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Grenzen der FehlererkennungDie Fehlererkennung und – Behebung durchCodierung oder Signaturen eignet sich vorwiegendfür „transiente“ Fehler.

Hochintegrierte Schaltungen, die mit Strukturgrößenum und unter 50 nm gefertigt werden, sind empfindlichgegen transiente Fehler.

Permanente Fehler können durch Codierung / Signaturennicht endgültig kompensiert werden, da die Schaltungendie Fähigkeit zur Erkennung weiterer transienterFehler verlieren !

Fehlerreparatur ??


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5. SelbstreparaturHochintegrierte Schaltungen werden nach derFertigung getestet. Traditionell werden alle Chipsmit Fehlern verworfen.

Die Ausbeute (Yield) bei der Chip-Fertigung ist dasVerhältnis:

Y =Anzahl der fehlerfreien Chips

Anzahl der gefertigten Chips

Fehlerhafte Halbleiter-Schaltungen können bisherin der Regel nicht „repariert“ werden.Ausnahme: Speicher-Bausteine


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Aufbau eines Speicher-Bausteins

Memory-Kern

Zusatz-Zeilen

Zeilen-Adresse

Spalten-Adresse

Dekoder

Zus

atz-

Spa

lten


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Reparatur bei Speichern

Memory-Kern

Zusatz-Zeilen

Zeilen-Adresse

Spalten-Adresse

Dekoder

Zus

atz-

Spa

lten

Fehler-stelle


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6. Viele ungelöste ProblemeEs gibt keine garantiert fehlerfreie Software !

Auch komplexe Hardware (Prozessoren !) ist in derRegel nicht völlig fehlerfrei.

Der Elektronik-Entwurf am Computer ist einfach,das Herausfinden von Fehlern ist viel schwieriger !

Die Fehler stecken oft in Funktionen, die seltenbenutzt werden. Das sind aber oft gerade die Funktionen,die zur Beherrschung anderer Fehler benötigt werden !

Nur wer die Technologie des Entwurfs hoch-zuverlässiger Elektronik beherrscht, kann in ZukunftRechner, Kraftwerke, Autos, Flugzeuge und Züge verkaufen !

Und deshalb arbeiten für Brandenburg die BTU Cottbus, die Univ.Potsdam und das IHP in Frankfurt / O. auf diesem Gebiet zusammen!! Die TU in Poznan spielt auch mit ...

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