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Beitrag zur Integration und Analyse sicherheitstechnischer Maßnahmen bei der Entwicklung eines kompletten Rechners auf FPGA-Basis
Abstract
Die enorm große Marktnachfrage nach Managern für funktionale Sicherheit reflektiert, in welchem Maße die funktionale Sicherheit in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen hat. Wird zwei Dekaden zurückgeschaut, dann ist zu sehen, dass diese Wissenschaft für die Luftfahrt- und Prozessindustrie reserviert war. Heute findet sie den Einsatz in fast allen Industriebranchen. Ihren systematischen und rigorosen Charakter hat die funktionale Sicherheit trotz der signifikanten Modifikationen und Anpassungen nicht verloren. Das universelle Einsatzpotenzial manifestiert sich im generischen Aufbau des weltweit etablierten Sicherheitsstandards IEC 61508, aus dem Derivate für den Automotive-Bereich, die Medizin, Bahnanwendungen etc. entstanden. Beim Blick auf die Entwicklung von FPGAs kann eine ähnliche Laufbahn erkannt werden: eng spezifische Einsatzbereiche am Anfang, Verwendung meistens für den Test von Prototypen, während sie heute zu einem festen Bestandteil des Alltags geworden sind.
Obwohl die FPGAs als Designplattform sehr effektive und zeitlich betrachtet sehr pragmatische Entwicklungsmöglichkeiten anbieten, sind diese Aspekte nicht trivial in sicherheitsgerichtete Anwendungen zu überführen. Die vorliegende Studie befasst sich mit dieser Relation und untersucht anhand einer detaillierten Analyse der neuartigen Designflüsse von führenden FPGA-Herstellern, ob die aktuellen FPGA-Strukturen für den Einsatz in Bereich der funktionalen Sicherheit geeignet sind. Der Fokus liegt auch auf der Implementierung und Evaluierung des Konzeptes der On-Chip-Redundanz mit der Zielsetzung der Umsetzung eines SIL2 konformen Systems. Der Startpunkt dieser Dissertation ist die Entwicklung eines kompletten Rechners auf dem FPGA basierend auf einem Softcore 32-Bit Mikrocontroller. Nach der erfolgreichen Implementierung werden diverse interne und externe Sicherheitsmaßnahmen integriert, die dazu führen, dass die Auswirkungen von Fehlern infolge gemeinsamer Ursache auf ein akzeptables Niveau reduziert werden und dass der Diagnosedeckungsgrad gefährlicher Ausfälle steigt. Für die Bewertung der Sicherheit wird die Ausfallrate einzelner Systemkomponenten über zwei verschiedene Methoden, die Gatter-Äquivalenz und den Zuverlässigkeitskalkulator von Xilinx, berechnet und durch die Bildung des Mittelwertes validiert. Im Kontext der Sicherheitsevaluierung wird auch eine intensive thermodynamische Analyse in Form einer komplexen und aussagekräftigen Simulation durchgeführt, deren Ergebnisse sehr stark mit denen der praktischen Untersuchungen korrelieren.
Obwohl die FPGAs als Designplattform sehr effektive und zeitlich betrachtet sehr pragmatische Entwicklungsmöglichkeiten anbieten, sind diese Aspekte nicht trivial in sicherheitsgerichtete Anwendungen zu überführen. Die vorliegende Studie befasst sich mit dieser Relation und untersucht anhand einer detaillierten Analyse der neuartigen Designflüsse von führenden FPGA-Herstellern, ob die aktuellen FPGA-Strukturen für den Einsatz in Bereich der funktionalen Sicherheit geeignet sind. Der Fokus liegt auch auf der Implementierung und Evaluierung des Konzeptes der On-Chip-Redundanz mit der Zielsetzung der Umsetzung eines SIL2 konformen Systems. Der Startpunkt dieser Dissertation ist die Entwicklung eines kompletten Rechners auf dem FPGA basierend auf einem Softcore 32-Bit Mikrocontroller. Nach der erfolgreichen Implementierung werden diverse interne und externe Sicherheitsmaßnahmen integriert, die dazu führen, dass die Auswirkungen von Fehlern infolge gemeinsamer Ursache auf ein akzeptables Niveau reduziert werden und dass der Diagnosedeckungsgrad gefährlicher Ausfälle steigt. Für die Bewertung der Sicherheit wird die Ausfallrate einzelner Systemkomponenten über zwei verschiedene Methoden, die Gatter-Äquivalenz und den Zuverlässigkeitskalkulator von Xilinx, berechnet und durch die Bildung des Mittelwertes validiert. Im Kontext der Sicherheitsevaluierung wird auch eine intensive thermodynamische Analyse in Form einer komplexen und aussagekräftigen Simulation durchgeführt, deren Ergebnisse sehr stark mit denen der praktischen Untersuchungen korrelieren.
A frequent market demand for functional safety managers reflected the grade of the importance the functional safety won in last few years. Analyzing the past two decades we could see that this science was reserved for aviation and process industry. Today, it is present in mostly industrial sectors. It did not lose its systematical and rigorous character despite significant modifications and changes. The capability of universal use becomes the manifest in generic concept of the world wide established safety standard IEC 61508. It derivates the instances for various branches as automotive, medicine, railway etc. In parallel to FPGA a similar progress path can be recognized - specialized applications at the beginning, then frequent use for testing purposes and prototyping, while today it is an integral part of daily life. As a design platform, FPGA provides very efficient and timing pragmatic development capabilities. But these aspects cannot be trivially transferred in a domain of the safety relevant applications. The presented study focusses on this relation and provides a detailed analysis of the novel design flows of the leading FPGA manufacturers with the intention to evaluate whether the current FPGA structures are appropriate for the functional safety field. The primary scope is related to the implementation and evaluation of the On-Chip-Redundancy concept by implementing a SIL2 conform system The initial phase of this study was the development of complete computer architecture on the FPGA-based softcore 32-bit microcontroller. After successful system implementation, various internal and external safety measures that implicated a reduction of the common cause failures on an acceptable level, as well as an increase of the diagnostic coverage, have been integrated. In order to evaluate the safety of the system, the failure rate of each system component will be calculated using two different methods - gate equivalency and Xilinx reliability calculator. Validation of this concept is done by calculating the mean value of these two methods. In the context of the safety evaluation, we carried out an intense thermodynamic analysis in the form of a complex and reliable simulation whose results significantly correlate with practical results.
Additional Information
Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2020Druckausgabe
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Citation
@book{doi:10.17170/kobra-202008101548,
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Wird zwei Dekaden zurückgeschaut, dann ist zu sehen, dass diese Wissenschaft für die Luftfahrt- und Prozessindustrie reserviert war. Heute findet sie den Einsatz in fast allen Industriebranchen. Ihren systematischen und rigorosen Charakter hat die funktionale Sicherheit trotz der signifikanten Modifikationen und Anpassungen nicht verloren. Das universelle Einsatzpotenzial manifestiert sich im generischen Aufbau des weltweit etablierten Sicherheitsstandards IEC 61508, aus dem Derivate für den Automotive-Bereich, die Medizin, Bahnanwendungen etc. entstanden. Beim Blick auf die Entwicklung von FPGAs kann eine ähnliche Laufbahn erkannt werden: eng spezifische Einsatzbereiche am Anfang, Verwendung meistens für den Test von Prototypen, während sie heute zu einem festen Bestandteil des Alltags geworden sind. Obwohl die FPGAs als Designplattform sehr effektive und zeitlich betrachtet sehr pragmatische Entwicklungsmöglichkeiten anbieten, sind diese Aspekte nicht trivial in sicherheitsgerichtete Anwendungen zu überführen. Die vorliegende Studie befasst sich mit dieser Relation und untersucht anhand einer detaillierten Analyse der neuartigen Designflüsse von führenden FPGA-Herstellern, ob die aktuellen FPGA-Strukturen für den Einsatz in Bereich der funktionalen Sicherheit geeignet sind. Der Fokus liegt auch auf der Implementierung und Evaluierung des Konzeptes der On-Chip-Redundanz mit der Zielsetzung der Umsetzung eines SIL2 konformen Systems. Der Startpunkt dieser Dissertation ist die Entwicklung eines kompletten Rechners auf dem FPGA basierend auf einem Softcore 32-Bit Mikrocontroller. Nach der erfolgreichen Implementierung werden diverse interne und externe Sicherheitsmaßnahmen integriert, die dazu führen, dass die Auswirkungen von Fehlern infolge gemeinsamer Ursache auf ein akzeptables Niveau reduziert werden und dass der Diagnosedeckungsgrad gefährlicher Ausfälle steigt. Für die Bewertung der Sicherheit wird die Ausfallrate einzelner Systemkomponenten über zwei verschiedene Methoden, die Gatter-Äquivalenz und den Zuverlässigkeitskalkulator von Xilinx, berechnet und durch die Bildung des Mittelwertes validiert. Im Kontext der Sicherheitsevaluierung wird auch eine intensive thermodynamische Analyse in Form einer komplexen und aussagekräftigen Simulation durchgeführt, deren Ergebnisse sehr stark mit denen der praktischen Untersuchungen korrelieren. A frequent market demand for functional safety managers reflected the grade of the importance the functional safety won in last few years. Analyzing the past two decades we could see that this science was reserved for aviation and process industry. Today, it is present in mostly industrial sectors. It did not lose its systematical and rigorous character despite significant modifications and changes. The capability of universal use becomes the manifest in generic concept of the world wide established safety standard IEC 61508. It derivates the instances for various branches as automotive, medicine, railway etc. In parallel to FPGA a similar progress path can be recognized - specialized applications at the beginning, then frequent use for testing purposes and prototyping, while today it is an integral part of daily life. As a design platform, FPGA provides very efficient and timing pragmatic development capabilities. But these aspects cannot be trivially transferred in a domain of the safety relevant applications. The presented study focusses on this relation and provides a detailed analysis of the novel design flows of the leading FPGA manufacturers with the intention to evaluate whether the current FPGA structures are appropriate for the functional safety field. The primary scope is related to the implementation and evaluation of the On-Chip-Redundancy concept by implementing a SIL2 conform system The initial phase of this study was the development of complete computer architecture on the FPGA-based softcore 32-bit microcontroller. After successful system implementation, various internal and external safety measures that implicated a reduction of the common cause failures on an acceptable level, as well as an increase of the diagnostic coverage, have been integrated. In order to evaluate the safety of the system, the failure rate of each system component will be calculated using two different methods - gate equivalency and Xilinx reliability calculator. Validation of this concept is done by calculating the mean value of these two methods. In the context of the safety evaluation, we carried out an intense thermodynamic analysis in the form of a complex and reliable simulation whose results significantly correlate with practical results. open access Gracić, Emil 2020-06-02 132 Seiten Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik / Informatik Börcsök, Josef (Prof. Dr.) Schepers, David (Prof. Dr.) Kassel 978-3-7376-0873-2 Funktionssicherheit Field programmable gate array Thermodynamik Analyse publishedVersion true https://www.genialokal.de/Produkt/Emil-Gracic/Beitrag-zur-Integration-und-Analyse-sicherheitstechnischer-Massnahmen-bei-der-Entwicklung-eines-kompletten-Rechners-auf-FPGA-Basis_lid_44492277.html 29,00 Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin Dissertation FB 16 / Elektrotechnik / Informatik </resource>
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