Metaestabilidad (electrónica)

En electrónica, la metaestabilidad es la capacidad de un sistema electrónico digital de persistir durante un tiempo ilimitado en un equilibrio inestable o en un estado metaestable. En los circuitos lógicos digitales, se requiere que una señal digital esté dentro de ciertos límites de voltaje o corriente para representar un valor '0' o '1' nivel lógico para el correcto funcionamiento del circuito; si la señal está dentro de un rango intermedio prohibido, puede provocar un comportamiento defectuoso en las puertas lógicas a las que se aplica la señal. En estados metaestables, es posible que el circuito no pueda establecerse en un estado estable '0' o '1' nivel lógico dentro del tiempo requerido para el correcto funcionamiento del circuito. Como resultado, el circuito puede actuar de manera impredecible y provocar una falla del sistema, a veces denominada "falla técnica". La metaestabilidad es un ejemplo de la paradoja del culo de Buridan.

Los estados metaestables son características inherentes de los sistemas digitales asíncronos y de los sistemas con más de un dominio de reloj independiente. En los sistemas asíncronos autocronometrados, los árbitros están diseñados para permitir que el sistema continúe solo después de que se haya resuelto la metaestabilidad, por lo que la metaestabilidad es una condición normal, no una condición de error. En sistemas síncronos con entradas asíncronas, los sincronizadores están diseñados para hacer que la probabilidad de un fallo de sincronización sea aceptablemente pequeña. Los estados metaestables se pueden evitar en sistemas totalmente síncronos cuando se satisfacen los requisitos de configuración de entrada y tiempo de retención en los flip-flops.

Ejemplo

Se puede encontrar un ejemplo simple de metaestabilidad en un pestillo SR NOR, cuando ambas entradas Set y Reset son verdaderas (R=1 y S=1) y luego ambas pasan a falsas (R= 0 y S=0) aproximadamente al mismo tiempo. Ambas salidas Q y Q se mantienen inicialmente en 0 mediante las entradas simultáneas Set y Reset. Después de que las entradas Set y Reset cambien a false, el flip-flop terminará (eventualmente) en uno de dos estados estables, uno de Q y Q true. y el otro falso. El estado final dependerá de cuál de R o S regresa primero a cero, cronológicamente, pero si ambos hacen la transición aproximadamente al mismo tiempo, la metaestabilidad resultante, con niveles de salida intermedios u oscilatorios, puede tardar arbitrariamente en resolverse a un estado estable.

Árbitras

En electrónica, un árbitro es un circuito diseñado para determinar cuál de varias señales llega primero. Los árbitros se utilizan en circuitos asíncronos para ordenar actividades computacionales para recursos compartidos para evitar operaciones incorrectas simultáneas. Los árbitros se utilizan en las entradas de sistemas totalmente síncronos, y también entre dominios de reloj, como sincronizadores de señales de entrada. Aunque pueden minimizar la aparición de metaestabilidad a probabilidades muy bajas, todos los árbitros tienen estados metaestables, que son inevitables en los límites de las regiones del espacio de estados de entrada, lo que da como resultado diferentes salidas.

Circuitos síncronos

Las técnicas de diseño de circuitos síncronos crean circuitos digitales que son resistentes a los modos de falla que pueden ser causados por la metaestabilidad. Un dominio de reloj se define como un grupo de flip-flops con un reloj común. Dichas arquitecturas pueden formar un circuito garantizado libre de metaestabilidad (por debajo de una cierta frecuencia máxima de reloj, por encima de la cual primero se produce metaestabilidad y luego falla absoluta), suponiendo un reloj común de baja desviación. Sin embargo, incluso entonces, si el sistema depende de entradas continuas, es probable que éstas sean vulnerables a estados metaestables.

Los circuitos sincronizadores se utilizan para reducir la probabilidad de metaestabilidad al recibir una entrada asíncrona o al transferir señales entre diferentes dominios de reloj. Los sincronizadores pueden tomar la forma de una cascada de flip-flops D (por ejemplo, el registro de desplazamiento en la Figura 3). Aunque cada etapa del flip-flop agrega un ciclo de latencia adicional al flujo de datos de entrada, cada etapa brinda la oportunidad de resolver la metaestabilidad. Estos sincronizadores pueden diseñarse para reducir la metaestabilidad a un ritmo insignificante pero tolerable.

Los desencadenantes de Schmitt también se pueden utilizar para reducir la probabilidad de metaestabilidad, pero como demostró el investigador Chaney en 1979, incluso los desencadenantes de Schmitt pueden volverse metaestables. Sostuvo además que no es posible eliminar por completo la posibilidad de metaestabilidad de entradas no sincronizadas en un tiempo finito y que "existe una gran cantidad de evidencia teórica y experimental de que existe una región de comportamiento anómalo para cada dispositivo que tiene dos estados estables." Frente a esta inevitabilidad, el hardware sólo puede reducir la probabilidad de metaestabilidad, y los sistemas pueden intentar manejar con gracia el evento metaestable ocasional.

Modos de fallo

Aunque la metaestabilidad se comprende bien y se conocen las técnicas arquitectónicas para controlarla, persiste como un modo de falla en los equipos.

Los graves errores informáticos y de hardware digital causados por la metaestabilidad tienen una historia social fascinante. Muchos ingenieros se han negado a creer que un dispositivo biestable pueda entrar en un estado que no es ni verdadero ni falso y que tiene una probabilidad positiva de permanecer indefinido durante un período determinado de tiempo. tiempo, aunque con una probabilidad exponencialmente decreciente con el tiempo. Sin embargo, la metaestabilidad es un resultado inevitable de cualquier intento de asignar un dominio continuo a uno discreto. En los límites en el dominio continuo entre regiones que se asignan a diferentes salidas discretas, los puntos arbitrariamente cercanos en el dominio continuo se asignan a diferentes salidas, lo que toma una decisión sobre qué salida seleccionar en un proceso difícil y potencialmente largo. Si las entradas a un árbitro o flip-flop llegan casi simultáneamente, lo más probable es que el circuito atraviese un punto de metaestabilidad. La metaestabilidad sigue siendo poco comprendida en algunos círculos, y varios ingenieros han propuesto sus propios circuitos que supuestamente resuelven o filtran la metaestabilidad; normalmente, estos circuitos simplemente desplazan la aparición de metaestabilidad de un lugar a otro. Los chips que utilizan múltiples fuentes de reloj a menudo se prueban con relojes de prueba que tienen relaciones de fase fijas, no con relojes independientes que se adelantan entre sí como se experimentarán durante la operación. Esto generalmente evita explícitamente que se vea o informe el modo de falla metaestable que ocurrirá en el campo. Las pruebas adecuadas de metaestabilidad emplean con frecuencia relojes de frecuencias ligeramente diferentes y garantizan el funcionamiento correcto del circuito.