Ψηφιακά κυκλώματα και συστήματα για εφαρμογές κρίσιμης ασφάλειας
Authors: Χιοκτούρ Βασίλειος 
Published: November 2022

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ευφυών Συστημάτων του Τμήματος Πληροφορικής με εφαρμογές στην Βιοϊατρική του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας. Το αντικείμενό της αναφέρεται στον σχεδιασμό κυκλωμάτων που χαρακτηρίζονται από την ιδιότητα του αυτοελέγχου με τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Ο σκοπός αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη τεχνικών σχεδιασμού κυκλωμάτων ιδανικών για τη χρήση τους σε φορητές συσκευές για εφαρμογές απαιτητικές ως προς την ασφάλεια λειτουργίας τους, όπως φορητές ιατρικές συσκευές.Τα τελευταία χρόνια, η πρόοδος των ηλεκτρονικών συστημάτων είναι εντυπωσιακή στην κοινωνία μας. Οι υπολογιστικές μονάδες είναι “ενσωματωμένες" σε όλους τους τομείς της κοινωνίας καθώς και σε παραδοσιακά συστήματα ελέγχου συστημάτων οπότε εισάγεται ο όρος του ενσωματωμένου συστήματος. Τα πολύ ορατά προβλήματα που έχουν προκύψει στον τομέα της ασφάλειας των συστημάτων υποδηλώνουν ότι η ασφάλεια αποτελεί επίσης σημαντική πρόκληση ίδιας αξίας με την πρόκληση ανάπτυξης συνεχώς βελτιωμένων κυκλωμάτων. Στην διατριβή αυτή προτείνονται σχεδιαστικές λύσεις σε θέματα ασφάλειας για παραδοσιακές εφαρμογές κρίσιμης σημασίας, όπου το αποτέλεσμα μιας αποτυχίας έχει σοβαρές συνέπειες. Πολλά περισσότερα συστήματα από όσα θα περίμενε κανείς πρέπει να θεωρηθούν κρίσιμα για την ασφάλεια και ο αριθμός αυξάνεται συνεχώς. Με την πρόοδο της τεχνολογίας, εξελίσσονται εντελώς νέοι τρόποι αποτυχίας ενός συστήματος, οπότε πρέπει οι σχεδιαστές να πάρουν και τα αντίστοιχα αντίμετρα, επιλέγοντας σε ορισμένες περιπτώσεις νέες προσαρμοστικές τεχνικές.Τα πολύπλοκα σύγχρονα συστήματα αυξάνουν τον αριθμό των αλληλεπιδρώντων κυκλωμάτων κρίσιμης ασφάλειας που υπάρχουν σε μία μόνο εφαρμογή και αναγκάζει την κοινή χρήση πόρων μεταξύ τους για να μειωθούν οι απαιτήσεις ισχύος και περιοχής ολοκλήρωσης. Η ανάγκη αυτή έχει εξαλείψει ένα σημαντικό αρχιτεκτονικό στοιχείο, τον φυσικό διαχωρισμό των κυκλωμάτων, το οποίο δίνει εμπιστοσύνη στη σωστή λειτουργία, γνωρίζοντας ότι η αποτυχία ενός κυκλώματος δεν μπορεί να επηρεάσει ένα άλλο. Με αυτό το διαχωρισμό, οι τεχνικές ανάλυσης για την ασφάλεια γίνονται πιο απλές. Στα πολύπλοκα συστήματα, πολλαπλές λειτουργίες φιλοξενούνται από ενιαία κυκλώματα για να απλοποιηθεί η κατασκευή και να μειωθούν οι απαιτήσεις μεγέθους και ισχύος. Απαιτούνται τεχνικές που παρέχουν υψηλά επίπεδα διασφάλισης της επιτυχής λειτουργίας ενός συστήματος χωρίς παρεμβολές και αλληλεπιδράσεις μεταξύ των τμημάτων του. Η ασφάλεια γίνεται όλο και πιο σημαντικό θέμα στον τομέα των συστημάτων κρίσιμης ασφάλειας και κρίνονται απαραίτητες ολοκληρωμένες προσεγγίσεις επαλήθευσης για υψηλή απόδοση.Στη διατριβή αυτή πραγματοποιείται ο σχεδιασμό βασικών στοιχείων, ώστε να αναπτυχθούν βέλτιστα κυκλώματα, όπως απαριθμητές ώστε να επιτυγχάνουν υψηλή ταχύτητα. Ειδικά στην περίπτωση των απαριθμητών, υπάρχει έλλειψη πλήρως αυτοεξεταζόμενων δομών οι οποίες να χρονίζονται σε υψηλές συχνότητες. Στο τέλος της διατριβής αυτής αναδεικνύεται μια μέθοδος που μπορεί να ακολουθηθεί για να συνυπάρξουν η αξιοπιστία και η κατανάλωση ενέργειας ως παράγοντες σχεδίασης ενός συστήματος. Η ερευνητική διαδικασία που ακολουθήθηκε και παρουσιάζεται, ασχολείται με το σχεδιασμό κυκλωμάτων ταυτόχρονου ελέγχου με την κανονική λειτουργία (Concurrent Testing) με την ιδιότητα του ενσωματωμένου αυτοελέγχου (BIST, Built-In Self-Test).