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Effiziente Mehrfach-Fehlersimulation von Analogschaltungen

Weber, Eduard

Eine Fehlersimulation ist eine Methode zur Bewertung der Fehlertoleranz und der Zuverlässigkeit, die unter definierten Prüfbedingungen das Systemverhalten beim Auftreten von Fehlern, die gezielt injiziert werden, untersucht. Fehlermodelle legen fest, welche Fehler in die Komponenten eines Systems injiziert werden, um die Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit der Schaltung zu prüfen. Eine Fehlerinjektion kann sowohl in Hardware- als auch in Softwaresysteme erfolgen. Diese Arbeit widmet sich der Fehlerinjektion in analoge Hardware-Schaltungen, wobei verschiedene Fehlerarten in eine Simulation der Analogschaltung eingebracht werden. Dabei liegt der Fokus auf den erweiterten Analysemöglichkeiten bei der Injektion von Mehrfachfehlern und unterschiedlichen Fehlerarten pro Komponente. Diese Kombination bietet die erstrebte Flexibilität, jedoch sind hinreichend genaue Ergebnisse in den meisten Fällen nur durch einen sehr hohen Rechenaufwand erhältlich, weil jede einzelne Simulation einer Analogschaltung einen beträchtlichen Zeitaufwand erfordert. Um den Rechenaufwand zu reduzieren, wurde in dieser Arbeit eine effiziente Methode, der Fehlerklassen-Algorithmus (FKA), für die Analyse von Mehrfachfehlern entwickelt. Mit dieser Methode kann der Toleranzgrad eines Systems für einen Teil der Fehlerinjektionen durch Interpolation ziemlich genau bestimmt werden, ohne die betreffenden Fehlerinjektionen vornehmen zu müssen, was entsprechend viele Simulationsläufe einspart. Die Genauigkeit wurde (rechenintensiv) durch einen Fehlersimulator mit einer hinreichenden Anzahl von Beispielschaltungen quantitativ bewertet, wodurch die Tauglichkeit des Fehlerklassen- Algorithmus bestätigt wurde. Damit ein neues System durch Fehlerinjektion geprüft werden kann, werden repräsentative Fehlermodelle für mehrere Ausfallarten für jede Bauelement-Art benötigt. Damit die betreffenden Fehlermodelle möglichst einfach und flexibel erstellt werden können, wird in dieser Arbeit eine skriptbasierte Fehlermodellierung vorgestellt. Damit kann jede erdenkliche Fehlerart beschrieben und in beliebige Bauelemente der simulierten Schaltung injiziert werden. Auf diese Weise können sowohl akkurate und als auch abstraktere Fehlermodelle definiert werden. Sowohl die Effizienz des Fehlerklassen-Algorithmus als auch der implementierte Fehlersimulator wurden in dieser Arbeit an Hand verschiedener Beispiele durch Simulationsergebnisse validiert.

Fault simulation is a method for assessing fault tolerance and reliability that examines the system behaviour under defined assessment conditions in the presence of faults, which are explicitly injected. The fault models specify the faults to be injected into the components of a system, to reveal the effect on the functioning of the circuit. Fault injection can be applied to both hardware and software systems. This work is dedicated to the fault injection in analogue hardware circuits, where different types of faults are inserted into the simulation of an analogue circuit. The focus is put on the analysis of multiple faults and several faults types per component. This combination provides the desired flexibility. However, in most cases sufficiently accurate results can only be obtained with very high computational cost, because each individual simulation of an analogue circuit requires a considerable amount of time. To reduce the computational effort, an efficient method, the fault class algorithm (Fehlerklassen-Algorithmus in german, FKA), has been developed for more efficient multiple fault analysis. Using the FKA method, the fault tolerance level of a system can be determined accurately by interpolation for a substantial portion of the fault injections without conducting the respective simulations under fault injection, which saves many simulation runs. The accuracy of the method has been evaluated by simulating a sufficient number of sample circuits, that have confirmed the suitability and usefulness of the fault class algorithm. For a newly designed system to be analysed by fault simulation, representative fault models are required to express the relevant failure types of the circuit elements. Components of an analogue circuit always may always exhibit several types of faults. To simulate the faults taken from such model as simple and as flexible as possible, a script-based fault modelling approach is presented in this work. Thus, every conceivable type of fault can be described and injected into any of the simulated circuit elements. This way, you can define both detailed and abstract malfunctions. Both the efficiency of the fault classes algorithm as well as the implemented fault simulator have been validated in this thesis by various examples of analogue circuits.

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Weber, Eduard: Effiziente Mehrfach-Fehlersimulation von Analogschaltungen. 2018.

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