Сетевой электронный научный журнал "системотехника". Смотреть страницы где упоминается термин интенсивность отказов Определение интенсивности отказов

Надежность и живучесть бортовых вычислительных систем (БЦВС).

Надежность – это свойство изделий выполнять требуемые функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени.

Живучесть - способность вычислительной системы выполнять свои основные функции, несмотря на полученные повреждения и вышедшие из строя элементы аппаратуры.

К надежности и живучести БУВМ и БЦВС предъявляются более жесткие требования, чем к надежности и живучести универсальных и персональных ЭВМ. При отказе БЦВМ нарушается работоспособность системы, и не выполняются поставленные задачи, что может привести к непоправимым последствиям, в том числе и к человеческим жертвам.

Повторное решение задачи после восстановления БЦВМ и БЦВС часто невозможно. Так, например, при сбое в работе БЦВС зенитно-ракетного комплекса будет уничтожен обороняемый объект. И, если вы в короткий срок восстановите работу системы, то разрушения не удастся вернуть так же, как и потерянные жизни. Сбой в авионике может привести к крушению самолета или самопроизвольному сходу ракет. В этом случае восстановление работы БЦВС так же не позволит исправить последствия ошибки.

Обеспечение высокой надежности и живучести БЦВС усложняется условиями работы аппаратуры на борту при больших колебаниях температуры, влажности, действии механических нагрузок и в условии высокой запыленности. Так же ограничение накладывается на габариты и массу аппаратуры. Это в основном относится к авиации, но так же большое значение имеет и для БЦВС других направлений.

Таким образом, проблема надежности и живучести БЦВМ и БЦВС имеет ряд особенностей, обусловленных своеобразием структуры БЦВМ и характером выполняемых ими функций.

Задача обеспечения в сложной системе высокой надежности и живучести может оказаться весьма дорогостоящей, сложной и требующей больших затрат времени, хотя затруднения с выпуском продукции и проблемы, возникающие во время эксплуатации, в связи с необходимостью обеспечения и поддержания требуемого уровня надежности, могут вызвать еще большие затруднения.

Например, при уменьшении надежности ракетной системы на 10% для обеспечения одной и той же степени поражения цели потребуется увеличение, по меньшей мере, на 10% фактического количества боевых ракет. Для этих ракет нужны дополнительные пусковые площадки, испытательная аппаратура, оборудование для пуска, обслуживающий персонал и вспомогательное оборудование, что связано с большими затратами денежных средств и времени.

Чем сложнее структура вычислительной системы, тем труднее обеспечить надежность и живучесть. Следует заметить, что большинство отказов, имевших место при пусках управляемых ракет и искусственных спутников в США, не было вызвано неисправностью какого-либо экзотического устройства, конструкция которого ускорила прогресс современного уровня техники. Напротив, многие отказы были вызваны неисправностью функциональных и конструктивных элементов ранее апробированной конструкции. Иногда элементы были изготовлены неправильно, а в других случаях имели место ошибки в работе программистов или обслуживающего персонала. Нет такой мелочи, которая была бы слишком ничтожной для того, чтобы не оказаться возможной причиной отказа. Высокие потенциальная и практически достижимая надежности в значительной степени являются результатом глубокого и пристального внимания к мелочам.

Проблема повышения надежности и отказоустойчивости свойственна не только БЦВС, но и коммерческой аппаратуре. Например, в кластере Google в среднем происходит отказ 1 компьютера в день (то есть за год аварии происходят примерно на 3% компьютеров). Конечно, за счет резервирования данных и кода эти сбои пользователям незаметны, но для программиста они являются большой проблемой.

Случай, когда вычислительная система или ее часть вышли из строя, и дальнейшая работа невозможна без ремонта - называется отказом.

Теория надежности различает 3 характерных признака отказов, которые могут быть присуще аппаратуре и проявляются без всякого воздействия со стороны людей.

1. Приработные отказы. Эти отказы происходят в течение раннего периода эксплуатации и в большинстве случаев вызваны недостатком технологии производства и дефектами при изготовлении элементов вычислительных систем. Эти отказы могут быть исключены процессом отбраковки, приработки и технологического тестирования готового изделия.

2. Дефектные или постепенные отказы. Это - отказы, возникающие из-за износа отдельных параметров или частей аппаратуры. Они характеризуются постепенным изменением параметров изделия или элементов. В начале эти отказы могут проявляется как временные сбои. Однако, по мере того, как износ возрастает, временные сбои превращаются в серьезные отказы аппаратуры. Эти отказы являются признаком старения БЦВС. Они частично могут быть устранены при правильной эксплуатации, хорошей профилактике и своевременной замене изношенных элементов аппаратуры.

3. Внезапные или катастрофические отказы. Эти отказы не могут быть устранены ни при отладке аппаратуры, ни правильным обслуживанием, ни профилактикой. Внезапные отказы возникают случайно, никто не может их предсказать, однако, они подчиняются определенным законам вероятности. Так что частота внезапных отказов в течение достаточно большого периода времени становится примерно постоянной. Это происходит в любой аппаратуре. Примером случайных отказов является обрыв или замыкание цепей. Такой отказ приводит, обычно, к тому, что на выходе устанавливается постоянно либо 0, либо 1. При возникновении случайных отказов необходимо заменять элементы, в которых они произошли. Для этого вычислительная система должна быть ремонтопригодной и позволять быстро проводить профилактические работы в полевых условиях.

В отдельную группу можно выделить перемежающиеся отказы или сбои. Под сбоем подразумевается кратковременное нарушение нормальной работы БЦВМ, при котором один или несколько ее элементов, при выполнении одной или нескольких смежных операции, дает случайный результат. После сбоя вычислительная система может нормально функционировать в течение длительного времени.

Причиной возникновения сбоев могут быть электромагнитные наводки, механические воздействия и др. Часто сбои не приводит к выходу из строя комплекса, а только изменяют ход работы программного обеспечения из-за неверного выполнения одной или нескольких команд, что может привести к катастрофическим последствиям. Отличие сбоев от отказов в том, что при обнаружении последствий от сбоя, необходимо восстанавливать не аппаратуру, а информацию, искаженную сбоем.

Рассказывая о сбоях, необходимо упомянуть о, так называемых, Шрёдинбагах. Шрёдинбаг – это ошибка, при которой вычислительная система долгое время функционирует нормально, однако, при определенных условиях, например, задании нестандартных параметров работы, возникает сбой. При анализе этого сбоя оказывается, что программное обеспечение вычислительной системы имеет принципиальную ошибку, из-за которой оно в принципе не должно было функционировать.

Шрёдинбаг может быть образован сложной комбинацией парных ошибок (когда ошибка в одном месте компенсируется ошибкой противоположного действия в другом месте). При определенном стечении обстоятельств баланс ошибок разрушается, что приводит к парализации работы.

Таким образом, для БЦВС характерно еще одно свойство, определяющее ее надежность – безошибочность или достоверность функционирования. Следовательно, надежность БЦВС – это совокупность безотказности, достоверности функционирования, живучести и ремонтопригодности.

В качестве параметров надежности применяют:

1. Интенсивность отказов –

2. Средняя наработка на отказ –

3. Вероятность безотказной работы в течение заданного времени – Р

4. Вероятность отказа – Q

Интенсивность отказов

Интенсивность отказов – это частота, с которой происходят отказы. Если аппаратура состоит из нескольких элементов, то ее интенсивность отказов равна сумме интенсивности отказов всех элементов, отказы которых приводят к неисправности оборудования.

Кривая интенсивности отказов, в зависимости от времени эксплуатации, изображена на рисунке ниже.

При начале эксплуатации (в момент времени t = 0) вводится в действие большое количество элементов. Эта совокупность элементов в начале может имеет большую интенсивность отказов, за счет дефектных образцов. Поскольку дефектные элементы отказывают один за другим, интенсивность отказов относительно быстро уменьшается в течение периода приработки и становится приблизительно постоянной к моменту нормальной эксплуатации (Т норм), когда дефектные элементы уже отказали, и были заменены на работоспособные.

Совокупность элементов, прошедших период приработки, имеет самый низкий уровень отказов, который сохраняется примерно постоянным до начала выхода из строя элементов, из-за износа (Т износа). С этого момента интенсивность отказов начинает возрастать.

Средняя наработка на отказ

Средняя наработка на отказ – это отношение общего отработанного времени к общему числу отказов. В течение периода нормальной эксплуатации, когда интенсивность отказов примерно постоянна, средняя наработка на отказ представляет собой величину обратную интенсивности отказов:

Вероятность безотказной работы.

Вероятностью безотказной работы называется вероятное или ожидаемое число устройств, которое будет безотказно функционировать в течение заданного периода времени:

Эта формула справедлива для всех устройств, которые прошли приработку, но не испытывают влияние износа. Следовательно, время t не может превышать периода нормальной эксплуатации устройств.

График, показывающий вероятность безотказной работы в зависимости от времени нормальной эксплуатации, приведен ниже:

Вероятность отказа.

Вероятность отказа – это величина обратная вероятности безотказной работы.

Номинальная интенсивность отказов.

Элементы аппаратуры проектируют так, чтобы они могла выдерживать определенные номинальные: напряжение, силу тока, температуру, вибрации, влажность и так далее. Когда аппаратура в процессе работы подвергается влиянию таких воздействий, наблюдается некая определенная интенсивность отказов. Ее называют номинальной интенсивностью отказов.

При увеличении общей рабочей нагрузи или некоторых частных нагрузок, или вредных воздействий окружающей среды сверх номинальных уровней, интенсивность отказов возрастает довольно резко по сравнению со своим номинальным значением. И наоборот, интенсивность отказов уменьшается, когда нагрузка становится ниже номинального уровня.

Например, если элемент должен работать при номинальном значении температуры 60 градусов, то путем понижения температуры, в результате применения принудительной системы охлаждения, можно снизить интенсивность отказов. Однако, если снижение температуры влечет за собой слишком большое увеличение количества элементов и веса аппаратуры, то более выгодным может оказаться выбор элементов с увеличенным номинальным значением рабочей температуры и применение их при температуре, ниже номинальной. В этом случае аппаратура может стать дешевле, а масса меньше (что принципиально при работе в летательном аппарате), чем при применении принудительной системы охлаждения.

Методы определения надежности БЦВС.

Когда проектируются и создаются новые изделия механическими, электрическими, химическими или другими измерениями, нельзя определить значение интенсивности отказов. Интенсивность отказов можно определить путем сбора статистических данных, полученных при испытании на надежность этого или аналогичных изделий.

Вероятность безотказной работы в течение любого момента времени испытаний выражается формулой:

Интенсивность отказов определяется формулой:

При измерении интенсивности отказов необходимо поддерживать постоянное число элементов, участвующих в испытании, путем замены отказавших элементов новыми.

Таким образом, для получения данных о количественных характеристиках надежности аппаратуры, необходимо изготовить специальный образец аппаратуры для испытаний на надежность. Испытания на надежность должны проводиться в условиях, соответствующих реальным условиям эксплуатации оборудования по внешним воздействиям, периодичности включения и изменения параметров питания.


“ Обеспечение высокой доступности ”

Цель работы:

Изучить два вида средств поддержания высокой доступнос­ти: обеспечение отказоустойчивости (нейтрализация отказов, живу­честь) и обеспечение безопасного и быстрого восстановления после отказов (обслуживаемость). Получить навык работы по обеспечению высокой доступности.

1. Теоретическое введение

1.1. Доступность

1.11. Основные понятия

Информационная система предоставляет своим пользователям определенный набор услуг (сервисов). Говорят, что обеспечен нужный уровень доступности этих сервисов, если следующие показатели находятся в заданных пределах:

Эффективность услуг. Эффективность услуги определяется в терминах максимального времени обслуживания запроса, количества поддерживаемых пользователей и т.п. Требуется, чтобы эффективность не опускалась ниже заранее установленного порога.

Время недоступности. Если эффективность информационной услуги не удовлетворяет наложенным ограничениям, услуга считается недоступной. Требуется, чтобы максимальная продолжительность периода недоступности и суммарное время недоступности за некоторой период (месяц, год) не превышали заранее заданных пределов.

В сущности, требуется, чтобы информационная система почти всегда работала с нужной эффективностью. Для некоторых критически важных систем (например, систем управления) время недоступности должно быть нулевым, без всяких "почти". В таком случае говорят о вероятности возникновения ситуации недоступности и требуют, чтобы эта вероятность не превышала заданной величины. Для решения данной задачи создавались и создаются специальные отказоустойчивые системы, стоимость которых, как правило, весьма высока.

К подавляющему большинству коммерческих систем предъявляются менее жесткие требования, однако современная деловая жизнь и здесь накладывает достаточно суровые ограничения, когда число обслуживаемых пользователей может измеряться тысячами, время ответа не должно превышать нескольких секунд, а время недоступности - нескольких часов в год.

Задачу обеспечения высокой доступности необходимо решать для современных конфигураций, построенных в технологии клиент/сервер. Это означает, что в защите нуждается вся цепочка - от пользователей (возможно, удаленных) до критически важных серверов (в том числе серверов безопасности).

Основные угрозы доступности были рассмотрены нами ранее.

В соответствии с ГОСТ 27.002, под отказом понимается событие, которое заключается в нарушении работоспособности изделия. В контексте данной работы изделие - это информационная система или ее компонент.

В простейшем случае можно считать, что отказы любого компонента составного изделия ведут к общему отказу, а распределение отказов во времени представляет собой простой пуассоновский поток событий. В таком случае вводят понятие интенсивности отказов и среднего времени наработки на отказ, которые связаны между собой соотношением

i - номер компонента,

Интенсивность отказов,

Среднее время наработки на отказ.

Интенсивности отказов независимых компонентов складываются:

а среднее время наработки на отказ для составного изделия задается соотношением

Уже эти простейшие выкладки показывают, что если существует компонент, интенсивность отказов которого много больше, чем у остальных, то именно он определяет среднее время наработки на отказ всей информационной системы. Это является теоретическим обоснованием принципа первоочередного укрепления самого слабого звена.

Пуассоновская модель позволяет обосновать еще одно очень важное положение, состоящее в том, что эмпирический подход к построению систем высокой доступности не может быть реализован за приемлемое время. При традиционном цикле тестирования/отладки программной системы по оптимистическим оценкам каждое исправление ошибки приводит к экспоненциальному убыванию (примерно на половину десятичного порядка) интенсивности отказов. Отсюда следует, что для того, чтобы на опыте убедиться в достижении необходимого уровня доступности, независимо от применяемой технологии тестирования и отладки, придется потратить время, практически равное среднему времени наработки на отказ. Например, для достижения среднего времени наработки на отказ 105 часов потребуется более 104,5 часов, что составляет более трех лет. Значит, нужны иные методы построения систем высокой доступности, методы, эффективность которых доказана аналитически или практически за более чем пятьдесят лет развития вычислительной техники и программирования.

Пуассоновская модель применима в тех случаях, когда информационная система содержит одиночные точки отказа, то есть компоненты, выход которых из строя ведет к отказу всей системы. Для исследования систем с резервированием применяется иной формализм.

В соответствии с постановкой задачи будем считать, что существует количественная мера эффективности предоставляемых изделием информационных услуг. В таком случае вводятся понятия показателей эффективности отдельных элементов и эффективности функционирования всей сложной системы.

В качестве меры доступности можно принять вероятность приемлемости эффективности услуг, предоставляемых информационной системой, на всем протяжении рассматриваемого отрезка времени. Чем большим запасом эффективности располагает наличии избыточности в конфигурации системы вероятность того, что в система, тем выше ее доступность.

При рассматриваемый промежуток времени эффективность информационных сервисов не опустится ниже допустимого предела, зависит не только от вероятности отказа компонентов, но и от времени, в течение которого они остаются неработоспособными, поскольку при этом суммарная эффективность падает, и каждый следующий отказ может стать фатальным. Чтобы максимально увеличить доступность системы, необходимо минимизировать время неработоспособности каждого компонента. Кроме того, следует учитывать, что, вообще говоря, ремонтные работы могут потребовать понижения эффективности или даже временного отключения работоспособных компонентов; такого рода влияние также необходимо минимизировать.

Несколько терминологических замечаний. Обычно в литературе по теории надежности вместо доступности говорят о готовности (в том числе о высокой готовности). Мы предпочли термин "доступность", чтобы подчеркнуть, что информационный сервис должен быть не просто "готов" сам по себе, но доступен для своих пользователей в условиях, когда ситуации недоступности могут вызываться причинами, на первый взгляд не имеющими прямого отношения к сервису (пример - отсутствие консультационного обслуживания).

Далее, вместо времени недоступности обычно говорят о коэффициенте готовности . Нам хотелось обратить внимание на два показателя - длительность однократного простоя и суммарную продолжительность простоев, поэтому мы предпочли термин "время недоступности" как более емкий.

При рассмотрении вопросов надежности часто бывает удобно представить себе дело так, словно на элемент действует поток отказов с некоторой интенсивностью l(t); элемент отказывает в тот момент, когда происходит первое событие этого потока.

Образ "потока отказов" приобретает реальный смысл, если отказавший элемент немедленно заменя­ется новым (восстанавливается). Последовательность случайных моментов времени, в которое проис­ходят отказы (рис.3.10), представляет собой некоторый поток событий, а интервалы между событиями - независимые случайные величины, распределенные по соответствующему закону распределения.

Понятие "интенсивности отказов" может быть введено для любого закона надежности с плотностью f(t); в общем случае интенсивность отказов l будет переменной величиной.

Интенсивностью (или иначе "опасностью") отказов называется отношение плотности распределения времени безотказной работы элемента к его надежности:

Поясним физический смысл этой характеристики. Пусть одновременно испытывается большое число N однородных элементов, каждый - до момента своего отказа. Обозначим n(t) - число элементов, оказавшихся исправными к моменту t, а m(t, t+Dt), как и раньше, - число элементов, отказавших на ма­лом участке времени (t, t+Dt). На единицу времени придется среднее число отказов

Разделим эту величину не на общее число испытываемых элементов N, а на число исправных к мо­менту t элементов n(t). Нетрудно убедиться, что при большом N отношение будет приближенно равно интенсивности отказов l (t):

Действительно, при большом N n(t)»Np(t)

Но согласно формуле (3.4) ,

В работах по надежности приближенное выражение (3.8) часто рассматривают как определение ин­тенсивности отказов, т.е. её определяют как среднее число отказов в единицу времени, приходящееся на один работающий элемент .

Характеристике l(t) можно дать еще одно истолкование: это есть условная плотность вероятности отказа элемента в данный момент времени t, при условии, что до момента t он работал безотказно . Действительно, рассмотрим элемент вероятности l(t)dt - вероятность того, что за время (t, t+dt) эле­мент перейдет из состояния "работает" в состояние "не работает", при условии, что до момента t он ра­ботал. В самом деле, безусловная вероятность отказа элемента на участке (t, t+dt) равна f(t)dt. Это - вероятность совмещения двух событий:

А - элемент работал исправно до момента t;

В - элемент отказал на участке времени (t, t+dt).

По правилу умножения вероятностей: f(t)dt = P(АВ) = Р(А) Р(В/А).



Учитывая, что Р(А)=р(t), получим: ;

а величина l(t) есть не что иное, как условная плотность вероятности перехода от состояния "работает" в состояние "отказал" для момента t.

Если известна интенсивность отказов l(t), то можно выразить через нее надежность р(t). Учитывая, что f(t)=-p"(t), запишем формулу (3.7) в виде:

Интегрируя, получим: ,

Таким образом, надежность выражается через интенсивность отказов.

В частном случае, когда l(t)=l=const, формула (3.9) дает:

p(t)=e - l t , (3.10)

т.е. так называемый экспоненциальный закон надежности.

Пользуясь образом "потока отказов", можно истолковать не только формулу (3.10), но и более об­щую формулу (3.9). Представим себе (совершенно условно!), что на элемент с произвольным законом надежности p(t) действует поток отказов с переменной интенсивностью l(t). Тогда формула (3.9) для р(t) выражает вероятность того, что на участке времени (0, t) не появиться не одного отказа.

Таким образом, как при экспоненциальном, так и при любом другом законе надежности, работу эле­мента, начиная с момента включения t=0, можно представлять себе так, что на элемент действует пуас­соновский закон отказов; для экспоненциального закона надежности этот поток будет с постоянной ин­тенсивностью l, а для неэкспоненциального - с переменной интенсивностью l(t).

Заметим, что этот образ годится только в том случае, когда отказавший элемент не заменяется но­вым . Если, как мы это делали раньше, немедленно заменять отказавший элемент новым, поток отказов уже не будет пуассоновским . Действительно, интенсивность его будет зависеть не просто от времени t, прошедшего с начала всего процесса, а и от времени t, прошедшего со случайного момента включения именно данного элемента; значит, поток событий имеет последствие и пуассоновским не является.

Если же на протяжении всего исследуемого процесса данный элемент не заменяется и может отка­зать не более одного раза, то при описании процесса, зависящего от его функционирования, можно пользоваться схемой марковского случайного процесса. но при переменной, а не при постоянной интен­сивности потока отказов.

Если неэкспоненциальный закон надежности сравнительно мало отличается от экспоненциаль­ного, то можно, в целях упрощения, приближенно заменить его экспоненциальным (рис. 3.11).

Параметр l этого закона выбирается так, чтобы сохранить неизменным математическое ожидание времени безотказной работы, равное, как мы знаем, площади, ограниченной кривой p(t) и осями коор­динат. Для этого нужно положить параметр l показательного закона равным

где - площадь, ограниченная кривой надежности p(t). Таким образом, если мы хотим характеризо­вать надежность элемента некоторой средней интенсивностью отказов, нужно в качестве этой интен­сивности взять величину, обратную среднему времени безотказной работы элемента.

Выше мы определили величину как площадь, ограниченную кривой р(t). Однако, если требуется знать только среднее время безотказной работы элемента, проще найти его непосредственно по стати­стическому материалу как среднее арифметическое всех наблюдённых значений случайной величины T - времени работы элемента до его отказа. Такой способ может быть применен и в случае, когда число опытов невелико и не позволяет достаточно точно построить кривую р(t).

Пример 1. Надежность элемента р(t) убывает со временем по линейному закону (рис. 3.12). Найти интенсивность отказов l(t) и среднее время безотказной работы элемента .

Решение. По формуле (3.7) на участке (0, t o) имеем:

Согласно заданному закону надежности

(0

Второй интеграл здесь равен .

Что касается первого, то он вычислен приближённо (численно): ,

откуда » 0,37+0,135=0,505.

Пример 3. Плотность распределения времени безотказной работы элемента постоянна на участке (t 0 , t 1) и равна нулю вне этого участка (рис. 3.16). Найти интенсивность отказов l(t).

Решение. Имеем: , (t o

График интенсивности отказов показан на рис. 3.17; при t® t 1, l(t)® ¥ .

Часть 1.

Введение
Развитие современной аппаратуры характеризуется значительным увеличением ее сложности. Усложнение обуславливает повышение гарантии своевременности и правильности решения задач.
Проблема надежности возникла в 50-х годах, когда начался процесс быстрого усложнения систем, и стали вводиться в действие новые объекты. В это время появились первые публикации, определяющие понятия и определения, относящиеся к надежности [ 1 ] и была создана методика оценки и расчета надежности устройств вероятностно-статистическими методами.
Исследование поведения аппаратуры (объекта) во время эксплуатации и оценка ее качества определяет его надежность. Термин "эксплуатация" происходит от французского слова "exploitation", что означает получение пользы или выгоды из чего-либо.
Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах.
Для количественного выражения надежности объекта и для планирования эксплуатации используются специальные характеристики - показатели надежности. Они позволяют оценивать надежность объекта или его элементов в различных условиях и на разных этапах эксплуатации.
Более подробно с показателями надежности можно ознакомиться в ГОСТ 16503-70 - "Промышленные изделия. Номенклатура и характеристика основных показателей надежности.", ГОСТ 18322-73 - "Системы технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения.", ГОСТ 13377-75 - "Надежность в технике. Термины и определения".

Определения
 Надежность - свойство [далее - (сво-во)] объекта [далее - (ОБ)] выполнять требуемые функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в течение заданного периода времени.
Надежность представляет собой комплексное сво-во, сочетающее в себе понятие работоспособности, безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохранности.
Работоспособность - представляет собой состояние ОБ, при котором он способен выполнять свои функции.
Безотказность - сво-во ОБ сохранять свою работоспособность в течение определенного времени. Событие, нарушающее работоспособность ОБ, называется отказом. Самоустраняющийся отказ называется сбоем.
Долговечность - сво-во ОБ сохранять свою работоспособность до предельного состояния, когда его эксплуатация становится невозможной по техническим, экономическим причинам, условиям техники безопасности или необходимости капитального ремонта.
Ремонтопригодность - определяет приспособляемость ОБ к предупреждению и обнаружению неисправностей и отказов и устранению их путем проведения ремонтов и технического обслуживания.
Сохраняемость - сво-во ОБ непрерывно поддерживать свою работоспособность в течение и после хранения и технического обслуживания.

Основные показатели надежности
 Основными качественными показателями надежности является вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и средняя наработка до отказа.
Вероятность безотказной работы P(t) представляет собой вероятность того, что в пределах указанного периода времени t , отказ ОБ не возникнет. Этот показатель определяется отношение числа элементов ОБ, безотказно проработавших до момента времени t к общему числу элементов ОБ, работоспособных в начальный момент.
Интенсивность отказов l (t) - это число отказов n(t) элементов ОБ в единицу времени, отнесенное к среднему числу элементов Nt ОБ, работоспособных к моменту времени D t :
l (t )= n (t )/(Nt * D t ) , где
D t - заданный отрезок времени.
Например : 1000 элементов ОБ работали 500 часов. За это время отказали 2 элемента. Отсюда, l (t )= n (t )/(Nt * D t )=2/(1000*500)=4*10 -6 1/ч, т.е. за 1 час может отказать 4-е элемента из миллиона.
Показатели интенсивности отказов комплектующих берутся на основании справочных данных [ 1, 6, 8 ]. Для примера в приведена интенсивность отказов l (t) некоторых элементов.

Наименование элемента

Интенсивность отказов, *10 -5, 1/ч

Резисторы

Конденсаторы

Трансформаторы

Катушки индуктивности

Коммутационные устройства

Соединения пайкой

Провода, кабели

Электродвигатели
Надежность ОБ, как системы, характеризуется потоком отказов L , численно равное сумме интенсивности отказов отдельных устройств:
L = ål i
По формуле рассчитывается поток отказов и отдельных устройств ОБ, состоящих, в свою очередь, из различных узлов и элементов, характеризующихся своей интенсивностью отказов. Формула справедлива для расчета потока отказов системы из n элементов в случае, когда отказ любого из них приводит к отказу всей системы в целом. Такое соединение элементов называется логически последовательным или основным. Кроме, того, существует логически параллельное соединение элементов, когда выход их строя одного из них не приводит к отказу системы в целом. Связь вероятности безотказной работы P(t) и потока отказов L определяется:
P (t )= exp (- D t ) , очевидно, что 0И 0< P (t )<1 и p (0)=1, а p (¥ )=0
Средняя наработка до отказа To - это математическое ожидание наработки ОБ до первого отказа:
To=1/ L =1/(ål i) , или , отсюда : L =1/To
Время безотказной работы равно обратной величине интенсивности отказов.
Например : технология элементов обеспечивает среднюю интенсивность отказов l i =1*10 -5 1/ч . При использовании в ОБ N=1*10 4 элементарных деталей суммарная интенсивность отказов l о= N * l i =10 -1 1/ч . Тогда среднее время безотказной работы ОБ To =1/ l о=10 ч. Если выполнить ОБ на основе 4-х больших интегральных схем (БИС), то среднее время безотказной работы ОБ увеличится в N/4=2500 раз и составит 25000 ч. или 34 месяца или около 3 лет.

Расчет надежности
Формулы позволяют выполнить расчет надежности ОБ, если известны исходные данные - состав ОБ, режим и условия его работы, интенсивности отказов его компонент (элементов). Однако при практических расчетах надежности есть трудности из-за отсутствия достоверных данных о интенсивности отказов для номенклатуры элементов, узлов и устройств ОБ. Выход из этого положения дает применение коэффициентного метода. Cущность коэффициентного метода состоит в том, что при расчете надежности ОБ используют не абсолютные значения интенсивности отказов l i , а коэффициент надежности ki , связывающий значения l i с интенсивностью отказов l b какого-либо базового элемента:
ki = l i / l b
Коэффициент надежности ki практически не зависит от условий эксплуатации и для данного элемента является константой, а различие условий эксплуатации ku учитывается соответствующими изменениями l b . В качестве базового элемента в теории и практике выбран резистор. Показатели надежности комплектующих берутся на основании справочных данных [ 1, 6, 8 ]. Для примера в приведен коэффициенты надежности ki некоторых элементов. В табл. 3 приведены коэффициенты условий эксплуатации ku работы для некоторых типов аппаратуры.
Влияние на надежность элементов основных дестабилизирующих факторов - электрических нагрузок, температуры окружающей среды - учитывается введением в расчет поправочных коэффициентов a . В табл. 4 приведены коэффициенты условий a работы для некоторых типов элементов. Учет влияния других факторов - запыленности, влажности и т.д. - выполняется коррекцией интенсивности отказов базового элемента с помощью поправочных коэффициентов.
Результирующий коэффициент надежности элементов ОБ с учетом поправочных коэффициентов:
ki"=a1*a2*a3*a4*ki*ku, где
ku - номинальное значение коэффициента условий эксплуатации
ki - номинальное значение коэффициент надежности
a1 - коэффициент учитывающий влияние электрической нагрузки по U, I или P
a2 - коэффициент учитывающий влияние температуры среды
a3 - коэффициент снижения нагрузки от номинальной по U, I или P
a4 - коэффициент использования данного элемента, к работе ОБ в целом

Условия эксплуатации

Коэффициент условий

Лабораторные условия

Аппаратура стационарная:

В помещениях

Вне помещений

Подвижная аппаратура:

Корабельная

Автомобильная

Поездная

Наименование элемента и его параметры

Коэффициент нагрузки

Резисторы:

По напряжению

По мощности

Конденсаторы

По напряжению

По реактивной мощности

По прямому току

По обратному напряжению

По температуре перехода

По току коллектора

По напряж. коллектор-эмиттер

По рассеиваемой мощности

Порядок расчета состоит в следующем:
1. Определяют количественные значения параметров, характеризующие нормальную работу ОБ.
2. Составляют поэлементную принципиальную схему ОБ, определяющую соединение элементов при выполнении ими заданной функции. Вспомогательные элементы, использующиеся при выполнении функции ОБ, не учитываются.
3. Определяются исходные данные для расчета надежности:

  • тип, количество, номинальные данные элементов
  • режим работы, температура среды и другие параметры
  • коэффициент использования элементов
  • коэффициент условий эксплуатации системы
  • определяется базовый элемент l b и интенсивность отказов l b "
  • по формуле: ki "= a 1* a 2* a 3* a 4* ki * ku определяется коэффициент надежности

4. Определяются основные показатели надежности ОБ, при логически последовательном (основном) соединении элементов, узлов и устройств:

  • вероятность безотказной работы : P(t)=exp{- l b*To*} , где
    Ni - число одинаковых элементов в ОБ
    n - общее число элементов в ОБ, имеющих основное соединение
  • наработка на отказ :
    To=1/{ l b*}

Если в схеме ОБ есть участки с параллельным соединением элементов, то сначала делается расчет показателей надежности отдельно для этих элементов, а затем для ОБ в целом.
5. Найденные показатели надежности сравниваются с требуемыми. Если не соответствуют, то принимаются меры к повышению надежности ОБ ().
6. Средствами повышения надежности ОБ являются:
- введение избыточности, которая бывает:

  • внутриэлементная - применение более надежных элементов
  • структурная - резервирование - общее или раздельное

Пример расчета:
 Рассчитаем основные показатели надежности для вентилятора на асинхронном электродвигателе. Схема приведена на . Для пуска М замыкают QF, а затем SB1. KM1 получает питание, срабатывает и своими контактами КМ2 подключает М к источнику питания, а вспомогательным контактом шунтирует SB1. Для отключения М служит SB2.

В защите М используются FA и тепловое реле KK1 с КК2. Вентилятор работает в закрытом помещении при T=50 C в длительном режиме. Для расчета применим коэффициентный метод, используя коэффициенты надежности компонент схемы. Принимаем интенсивность отказов базового элемента l b =3*10 -8 . На основании принципиальной схемы и ее анализа, составим основную схему для расчета надежности (). В расчетную схему включены компоненты, отказ которых приводит к полному отказу устройства. Исходные данные сведем в .

Базовый элемент, 1/ч

l б

3*10 -8

Коэф. условий эксплуатации

Интенсивность отказов

l б ’

l б* ku =7,5*10 -8

Время работы, ч

Элемент принципиальной схемы

Элемент расчетной схемы

Число элементов

Коэф. надежности

Коэф. нагрузки

Коэф. электрической нагрузки

Коэф. температуры

Коэф. нагрузки по мощности

Коэф. использования

Произведение коэф. a

Коэф. надежности

S (Ni * ki ’)

Наработка до отказа, ч

1/[ l б ’* S (Ni*ki’)]=3523,7

Вероятность

е [- l б ’*To* S (Ni*ki’)] =0,24

По результатам расчета можно сделать выводы:
1. Наработка до отказа устройства: To=3524 ч.
2. Вероятность безотказной работы: p(t)=0,24. Вероятность того, что в пределах заданного времени работы t в заданных условиях работы не возникнет отказа.

Частные случай расчета надежности.

1. Объект (далее ОБ) состоит из n блоков, соединенных последовательно (). Вероятность безотказной работы каждого блока p. Найти вероятность безотказной работы P системы в целом.

Решение: P = p n
2. ОБ состоит из n блоков, соединенных параллельно (). Вероятность безотказной работы каждого блока p. Найти вероятность безотказной работы P системы в целом.

Решение: P =1-(1- p ) 2
3. ОБ состоит из n блоков, соединенных параллельно (). Вероятность безотказной работы каждого блока p. Вероятность безотказной работы переключателя (П) p1. Найти вероятность безотказной работы P системы в целом.

Решение: P=1-(1-p)*(1-p1*p)
4. ОБ состоит из n блоков (), с вероятность безотказной работы каждого блока p. С целью повышения надежности ОБ произведено дублирование, еще такими-же блоками. Найти вероятность безотказной работы системы: с дублированием каждого блока Pa, с дублированием всей системы Pb.

Решение: Pa = n Pb = 2
5. ОБ состоит из n блоков (см. рис. 10). При исправном C вероятность безотказной работы U1=p1, U2=p2. При неисправном C вероятность безотказной работы U1=p1", U2=p2". Вероятность безотказной работы C=ps. Найти вероятность безотказной работы P системы в целом.

Решение: P = ps *+(1- ps )*
9. ОБ состоит из 2-х узлов U1 и U2. Вероятность безотказной работы за время t узлов: U1 p1=0.8, U2 p2=0.9. По истечении времени t ОБ несправен. Найти вероятность, что:
- H1 - неисправен узел U1
- H2 - неисправен узел U2
- H3 - неисправны узлы U1 и U2
Решение: Очевидно, имело место H0, когда оба узла исправны.
Событие A=H1+H2+H3
Априорные (первоначальные) вероятности:
- P(H1)=(1-p1)*p2 =(1-0.8)*0.9=0.2*0.9=0.18
- P(H2)=(1-p2)*p1 =(1-0.9)*0.8=0.1*0.8=0.08
- P(H3)=(1-p1)*(1-p2) =(1-0.8)*0.9=0.2*0.1=0.02
- A= i=1 å 3 *P(Hi)=P(H1)+P(H2)+P(H3) =0.18+0.08+0.02=0.28
Апостерионые (конечные) вероятности:
- P(H1/A)=P(H1)/A=0.18/0.28=0.643
- P(H2/A)=P(H2)/A=0.08/0.28=0.286
- P(H3/A)=P(H3)/A=0.02/0.28=0.071
10. ОБ состоит из m блоков типа U1 и n блоков типа U2. Вероятность безотказной работы за время t каждого блока U1=p1, каждого блока U2=p2. Для работы ОБ достаточно, чтобы в течение t работали безотказно любые 2-а блока типа U1 и одновременно с этим любые 2-а блока типа U2. Найти вероятность безотказной работы ОБ.
Решение: Событие A (безотказная работа ОБ) есть произведение 2-х событий:
- A1 - (не менее 2-х из m блоков типа U1 работают)
- A2 - (не менее 2-х из n блоков типа U2 работают)
Число X1 работающих безотказно блоков типа U1 есть случайная величина, распределенная по биномиальному закону с параметрами m, p1. Событие A1 состоит в том, что X1 примет значение не менее 2, поэтому:

P(A1 )=P{X1>2}=1-P(X1<2)=1-P(X1=0)-P(X1=1)=1-(g1 m +m*g2 m-1 *p1) , где g1=1-p1

аналогично: P(A2)=1-(g2 n +n*g2 n-1 *p2) , где g2=1-p2

Вероятность безотказной работы ОБ:

R =P(A)=P(A1)*P(A2)=* , где g1=1-p1, g2=1-p2

11. ОБ состоит из 3-х узлов (). В узле U1 n1 элементов с интенсивностью отказов l1. В узле U2 n2 элементов с интенсивностью отказов l2. В узле U3 n3 элементов с интенсивностью отказов l2, т.к. U2 и U3 дублируют друг друга. U1 выходит из строя если в нем отказало не менее 2-х элементов. U2 или U3, т.к. дублируются, выходят из строя если в них отказал хотя бы один элемент. ОБ выходит из строя если отказал U1 или U2 и U3 вместе. Вероятность безотказной работы каждого элемента p. Найти вероятность того, что за время t ОБ не выйдет из строя.
Вероятности выхода из строя U 2 и U 3 равны:

R2=1-(1-p2) n2 R3=1-(1-p3) n3

Вероятности выхода из строя всего ОБ:
R=R1+(1-R1)*R2*R3

Литература:

  • Малинский В.Д. и др. Испытания радиоаппаратуры, "Энергия", 1965 г.
  • ГОСТ 16503-70 - "Промышленные изделия. Номенклатура и характеристика основных показателей надежности".
  • Широков А.М. Надежность радиоэлектронных устройств, М, Высшая школа, 1972 г.
  • ГОСТ 18322-73 - "Системы технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения".
  • ГОСТ 13377-75 - "Надежность в технике. Термины и определения".
  • Козлов Б.А., Ушаков И.А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики, М, Сов. Радио, 1975 г.
  • Перроте А.И., Сторчак М.А. Вопросы надежности РЭА, М, Сов. Радио, 1976 г.
  • Левин Б.Р. Теория надежности радиотехнических систем, М, Сов. Радио, 1978 г.
  • ГОСТ 16593-79 - "Электроприводы. Термины и определения".

И. Брагин 08.2003 г.

Методика оценки интенсивности отказов функциональных узлов интегральных схем

Барышников А.В.

(ФГУП НИИ “Автоматики”)

1. Введение

Проблема прогнозирования надежности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) актуальна практически для всех современных технических систем. Учитывая, что РЭА включает в себя электронные компоненты, встает задача разработки методик, позволяющих оценивать интенсивности отказов (ИО) этих компонентов. Нередко технические требования по надежности, предъявляемые в технических заданиях (ТЗ) на разработку РЭА, входят в противоречие с требованиями, предъявляемыми к весам и габаритам РЭА, что не позволяет выполнить требования ТЗ за счет, например, дублирования.

Для ряда видов РЭА повышенные требования по надежности предъявляются к контролирующим устройствам, размещенным в одном кристалле с основными функциональными узлами аппаратуры. Например, к схеме сложения по модулю 2, обеспечивающей контроль работы основного и дублирующего узлов какого-либо блоков аппаратуры. Повышенные требования по надежности могут предъявлять также к областям памяти, в которых хранится информация, необходимая для выполнения алгоритма работы аппаратуры.

Предлагаемая методика позволяет оценить ИО разных функциональных областей микросхем. В микросхемах памяти: оперативных запоминающих устройствах (ОЗУ), постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ), репрограммируемых запоминающих устройствах (РПЗУ), это интенсивности отказов накопителей, дешифраторов и схем управления. В схемах микроконтроллеров и микропроцессоров методика позволяет определить ИО областей памяти, арифметического логического устройства, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей и т.д. В программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), ИО основных функциональных узлов, из которых состоит ПЛИС: конфигурируемый логический блок, блок входа/выхода, области памяти, JTAG и т.д. Методика также позволяет определить ИО одного вывода микросхемы, одной ячейки памяти, а, в некоторых случаях, и ИО отдельных транзисторов.

2. Назначение и область применения методики

Методика предназначена для оценки эксплуатационной ИО λ э разных функциональных узлов микросхем: микропроцессоров, микроконтроллеров, микросхем памяти, программируемых логических интегральных схемах. В частности, внутри кристальных областей ЗУ, а также ИО ячеек накопителей ЗУ микросхем зарубежного производства, в том числе микропроцессоров, ПЛИС. К сожалению, отсутствие информации об ИО корпусов не позволяет применить методику для отечественных микросхем.

ИО, определенные по данной методике, являются исходными данными для расчета надежностных характеристик при проведении инженерных исследований аппаратуры.

Методика содержит алгоритм расчета ИО, алгоритм проверки полученных результатов расчета, примеры расчета ИО функциональных узлов микропроцессора, схем памяти, программируемых логических схем.

3. Допущения методики

Методика основана на следующих допущениях :

Отказы элементов независимы;

ИО микросхемы постоянна.

Дополнительно к этим допущениям будет показана возможность разделения ИО микросхем на ИО корпуса и интенсивность отказов кристалла.

4. Исходные данные

1.Функциональное назначение микросхемы: микропроцессор, микроконтроллер, память, ПЛИС и т.д.

2.Технология изготовления микросхемы: биполярная, КМОП.

3.Значение интенсивности отказов микросхемы.

4.Блок-схема микросхемы.

5.Тип и объем накопителей схем памяти.

6. Количество выводов корпуса.

5.1. По известным значениям ИО микросхемы определяются ИО корпуса и кристалла.

5.2. По найденному значению ИО кристалла, для микросхемы памяти, исходя из ее типа и технологии изготовления, рассчитываются ИО накопителя, схем дешифраторов, схем управления. Расчет основан на стандартном построении электрических схем, обслуживающих накопитель.

5.3. Для микропроцессора или микроконтроллера, используя результаты расчета, полученные в предыдущем пункте, определяются ИО областей памяти. Разность между ИО кристалла и найденными значениями ИО областей памяти составит значение ИО оставшейся части микросхемы.

5.4. По известным значениям ИО кристаллов для семейства ПЛИС, их функциональному составу и количеству однотипных узлов, составляется система линейных уравнений. Каждое из уравнений системы составляется для одного типономинала из семейства ПЛИС. Правая часть каждого из уравнений системы представляет собой сумму произведений значений ИО функциональных узлов определенного типа на их количество. Левая часть каждого из уравнений системы – значение ИО кристалла конкретного типономинала ПЛИС из семейства.

Максимальное количество уравнений в системе равно количеству ПЛИС в семействе.

Решение системы уравнений позволяет получить значения ИО функциональных узлов ПЛИС.

5.5. На основе результатов расчета, полученных в предыдущих пунктах, могут быть найдены значения ИО отдельной ячейки памяти, вывода микросхемы или транзистора конкретного узла блок-схемы, если известна схема электрическая принципиальная узла.

5.6. Проверка результатов расчета для микросхемы памяти производится сравнением значения ИО для другой микросхемы памяти, полученное стандартным методом, со значением ИО этой микросхемы рассчитанное с использованием данных полученных в п.5.2 этого раздела.

5.7. Проверка результатов расчета для ПЛИС производится расчетом ИО кристалла одного из типономиналов рассматриваемого семейства ПЛИС, который не входил в систему уравнений. Расчет проводится с использованием значений ИО функциональных узлов, полученных в п.5.4 этого раздела, и сравнением полученного значения ИО ПЛИС с значением ИО, рассчитанным с использованием стандартных методов.

6. Анализ модели прогнозирования интенсивности отказов микросхем с точки зрения возможности разделения интенсивности отказов микросхемы на сумму интенсивностей отказов кристалла и корпуса

ИО кристалла, корпуса и внешних выводов микросхемы определяются из математической модели прогнозирования ИО зарубежных интегральных схем для каждого типономинала ИС.

Проанализируем слагаемые математической модели для расчета эксплуата-

ционной ИО λэ цифровых и аналоговых интегральных схем зарубежного производства:

λэ = (С 1 π т +С 2 π E) π Q π L, (1),

где: C 1 - составляющая ИО ИС, зависящая от степени интеграции;

π т - коэффициент, учитывающий перегрев кристалла относительно окружающей среды;

C 2 - составляющая ИО ИС, зависящая от типа корпуса;

- π Е - коэффициент, учитывающий жесткость условий эксплуатации РЭА (группу эксплуатации аппаратуры);

- π Q - коэффициент, учитывающий уровень качества изготовления ЭРИ;

- π L -коэффициент, учитывающий отработанность технологического процесса изготовления ЭРИ;

Это выражение справедливо для микросхем, изготовленных как по биполяр-ной, так и по МОП технологии, и включает в себя цифровые и аналоговые схемы, программируемые логические матрицы и ПЛИС, микросхемы памяти, микропро-цессоры.

Математическая модель прогнозируемой ИО интегральных микросхем, за первоисточник которой взят стандарт министерства обороны США , представляет собой сумму двух слагаемых. Первое слагаемое характеризует отказы, определяемые степенью интеграции кристалла и электрическим режимом работы микросхемы (коэффициенты C 1, π т), второе слагаемое характеризует отказы, связанные с типом корпуса, количеством выводов корпуса и условиями эксплуатации (коэффициенты C 2, - π Е).

Такое разделение объясняется возможностью выпуска одной и той же микросхемы в разных типах корпусов, существенно различающихся своей надежностью (стойкостью к вибрациям, герметичностью, гигроскопичностью и т.п.). Обозначим первое слагаемое как ИО определяемую кристаллом (λкр), а второе - корпусом (λкорп).

Из (1) получим:

λкр = С 1 π т π Q π L, λкорп = С 2 π E π Q π L (2)

Тогда ИО одного вывода микросхемы равна:

λ 1Выв = λкорп /N Выв = С 2 π E π Q π L /N Выв,

где N Выв - количество выводов в корпусе интегральной схемы.

Найдем отношение ИО корпуса к эксплуатационной ИО микросхемы:

λкорп / λэ = С 2 π E π Q π L / (С 1 π т +С 2 π E) π Q π L = С 2 π E /(С 1 π т +С 2 π E) (3)

Проанализируем это выражение с точки зрения воздействия на него типа корпуса, количества выводов, перегрева кристалла за счет мощности, рассеиваемой в кристалле, жесткости условий эксплуатации.

6.1. Влияние жесткости условий эксплуатации

Разделив числитель и знаменатель выражения (3) на коэффициент π E получим:

λкорп / λэ = С 2 /(С 1 π т / π E + С 2) (4)

Анализ выражения (4) показывает, что процентное соотношение ИО корпуса и эксплуатационной ИО микросхем зависит от группы эксплуатации: чем жестче условия эксплуатации аппаратуры (больше значение коэффициента π E), тем большая доля отказов приходится на отказы корпуса (знаменатель в уравнении 4 уменьшается) и отношение λкорп / λэ стремиться к 1.

6.2. Влияние типа корпуса и количества выводов корпуса

Разделив числитель и знаменатель выражения (3) на коэффициент С 2 получим:

λкорп / λэ = π E /(С 1 π т /С 2 + π E) (5)

Анализ выражения (5) показывает, что процентное соотношение ИО корпуса и эксплуатационной ИО микросхем зависит от соотношения коэффици­ентов С 1 и С 2 , т.е. от соотношения степени интеграции микросхемы и параметров корпуса: чем больше количество элементов в микросхе­ме (больше коэффициент С 1), тем меньшая доля отказов приходится на отказы корпуса (отношение λкорп / λэ стремиться к нулю) и чем больше количество выводов в корпусе, тем больший вес приобретают отказы корпуса (отношение λкорп / λэ стремиться к 1).

6.3. Влияние мощности, рассеиваемой в кристалле

Из выражения (3) видно, что с увеличением π т (коэффициент, отражающий перегрев кристалла за счет мощности, рассеиваемой в кристалле), значение знаменателя уравнения увеличивается, и, следовательно, доля отказов приходящаяся на корпус уменьшается и отказы кристалла приобретают больший относительный вес.

Вывод:

Анализ изменения значения отношения λкорп / λэ (уравнение 3) в зависимости от типа корпуса, количества выводов, перегрева кристалла за счет мощности, рассеиваемой в кристалле, и жесткости условий эксплуатации показал, что первое слагаемое в уравнении (1) характеризует эксплуатационную ИО кристалла, второе – эксплуатационную ИО корпуса и уравнения (2) могут быть использованы для оценки эксплуатационной ИО непосредственно полупроводникового кристалла, корпуса и ИО выводов корпуса. Значение эксплуатационной ИО кристалла может быть использована как исходный материал для оценки ИО функциональных узлов микросхем.

7. Расчет интенсивности отказов ячейки памяти запоминающих устройств, входящих в состав микросхем памяти, микропроцессоров и микроконтроллеров.

Для определения ИО, приходящейся на бит информации полупроводниковых ЗУ, рассмотрим их состав. В состав полупроводникового ЗУ любого типа входят , :

1)Накопитель

2)Схема обрамления:

o адресная часть (строчные и столбцовые дешифраторы)

o числовая часть (усилители записи и считывания)

o блок местного управления - осуществляет координацию работы всех узлов в режимах хранения, записи, регенерации (динамические ЗУ) и стирания информации (РПЗУ).

7.1. Оценка количества транзисторов в различных областях ЗУ.

Рассмотрим каждую составляющую ИО ЗУ. Общее значение ИО ЗУ для микросхем разного типа с разным объемом накопителя можно определить, используя . ИО корпуса и кристалла рассчитываются в соответствии с разделом 5 настоящей работы.

К сожалению, в технических материалах на зарубежные микросхемы памяти отсутствует общее количество элементов, входящих в микросхему, а приводится только информационная емкость накопителя. Учитывая тот факт, что каждый тип ЗУ содержит стандартные блоки, оценим количество элементов, входящих в микросхему памяти, исходя из объема накопителя. Для этого рассмотрим схемотехнику построения каждого блока ЗУ.

7.1.1. Накопитель ОЗУ

В приведены электрические принципиальные схемы запоминающих ячеек ОЗУ, выполненных по ТТЛШ, ЭСЛ, МОП и КМОП технологиям. В таблице 1 приведено количество транзисторов, из которых строиться одна ячейка памяти (1 бит информации ОЗУ).

Таблица 1. Количество транзисторов в одной ячейке памяти ЗУ

Тип ОЗУ

Технология изготовления

ТТЛШ

ЭСЛ

МОП

КМОП

Статические

Количество элементов

4, 5, 6

Динамические

7.1.2. Накопители ПЗУ и ППЗУ

В биполярных ПЗУ и ППЗУ запоминающий элемент накопителя реализуется на основе диодных и транзисторных структур . Они выполняются в виде эмиттерных повторителей на n - p - n и p - n - p транзисторах, переходах коллектор-база, эмиттер-база, диодах Шоттки. В качестве запоминающего элемента в схемах, изготавливаемых по МОП и КМОП технологиям, используются p и n -канальные транзисторы. Запоминающий элемент состоит из 1 транзистора или диода. Общее количество транзисторов в накопителе ПЗУ или ППЗУ равно информационной емкости ЗУ БИС.

7.1.3. Накопитель РПЗУ

Информация, записанная в РПЗУ, хранится от нескольких до десятков лет. Поэтому РПЗУ часто называют энергонезависимой памятью. В основе механизма запо-

минания и хранения информации лежат процессы накопления заряда при записи, сохранении его при считывании и при выключении электропитания в специальных МОП транзисторах. Запоминающие элементы РПЗУ строятся, как правило, на двух транзисторах.

Таким образом, количество транзисторов в накопителе РПЗУ равно информационной емкости РПЗУ умноженной на 2.

7.1.4. Адресная часть

Адресная часть ЗУ строится на основе дешифраторов (декодеров). Они позволяют определить N -разрядное входное двоичное число путем получения единичного значения двоичной переменной на одном из выходов устройства. Для построения интегральных схем принято использовать линейные дешифраторы или комбинацию линейных и прямоугольных дешифраторов. Линейный дешифратор имеет N входов и 2 N логических схем “И”. Найдем количество транзисторов необходимых для построения таких дешифраторов в КМОП базисе (как наиболее часто используемым для создания БИС). В таблице 2 приведено количество транзисторов необходимых для построения дешифраторов на разное количество входов.

Таблица 2. Количество транзисторов, необходимых для построения дешифраторов

Кол-во

Входов

Адресные инверторы

Схемы “И”

Суммарное количество транзисторов в де-шифраторе

2* N *2 N +2* N

Кол-во

Инверторов

Кол-во

Транзисторов

Кол-во

cхем

Кол-во транзисторов

2* N *2 N

4*4=16

16+4=20

6*8=48

48+6=54

8*16=128

128+8=136

10*32 = 320

320+10 = 330

64*12 = 768

768+12 = 780

128*14=1792

1792+14=1806

256*16=4096

4096+16=4112

512*18=9216

9216+18=9234

1024

1024*20=20480

20480+20=20500

Для линейных дешифраторов разрядность дешифруемого числа не превышает 8-10. Поэтому при увеличении количества слов в ЗУ более 1К используют модульный принцип построения ЗУ.

7.1.5. Числовая часть

(усилители записи и считывания)

Эти схемы предназначены для преобразования уровней считываемых сигналов в уровни выходных сигналов логических элементов конкретного типа и увеличения нагрузочной способности. Как правило, они выполняются по схеме с открытым коллектором (биполярные) или с тремя состояниями (КМОП). Каждая из выходных схем может состоять из нескольких (двух или трех) инверторов. Максимальное количество транзисторов в этих схемах при максимальной разрядности микропроцессора 32 составляет не более 200.

7.1.6. Блок местного управления

В блок местного управления, в зависимости от типа ЗУ, могут входить строчные и столбцовые буферные регистры, адресные мультиплексоры, блоки управления регенерацией в динамических ЗУ, схемы стирания информации.

7.1.7. Оценка количества транзисторов в различных областях ЗУ

Количественное соотношение транзисторов ОЗУ, входящих в накопитель, дешифратор и блок местного управления приблизительно равно: 100:10:1 , что составляет 89%, 10% и 1% соответственно. Количество транзисторов в ячейке накопителя ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ приведено в таблице 1. Пользуясь данными этой таблицы, процентными соотношениями элементов, входящих в различные области ОЗУ, а также предполагая, что количество элементов в дешифраторе и блоке местного управления для одного и того же объема накопителя разных типов ЗУ остается приблизительно постоянным, можно оценить соотношение транзисторов входящих в накопитель, дешифратор и блок местного управления разных типов ЗУ. В таблице 3 приведены результаты такой оценки.

Таблица 3 Количественное соотношение транзисторов в разных функциональных областях ЗУ

Количественное соотношение элементов различных областей ЗУ

Накопитель

Дешифратор

Блок местного управления

ПЗУ, ППЗУ

Таким образом, зная объем накопителя и ИО кристалла ЗУ, можно найти ИО накопителя, адресной части, числовой части, блока местного управления, а также ИО ячейки памяти и транзисторов, входящих в состав схем обрамления.

8. Расчет интенсивности отказов функциональных узлов микропроцессоров и микроконтроллеров

В разделе приведен алгоритм расчета ИО функциональных узлов микросхем микропроцессоров и микроконтроллеров. Методика применима для микропроцессоров и микроконтроллеров с разрядностью не более 32 бит.

8.1. Исходные данные для расчета интенсивности отказов

Ниже приведены исходные данные, необходимые для расчета ИО микропроцессоров, микроконтроллеров и частей их электрических схем. Под частью электрической схемы будем понимать как функционально законченные узлы микропроцессора (микроконтроллера), а именно, разные виды памятей (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ, АЦП, ЦАП и т.д.), так и отдельные вентили или даже транзисторы.

Исходные данные

Разрядность микропроцессора или микроконтроллера;

Технология изготовления микросхемы;

Вид и организация внутри кристальных ЗУ;

Информационная ёмкость ЗУ;

Потребляемая мощность;

Тепловое сопротивление кристалл – корпус или кристалл – окружающая среда;

Тип корпуса микросхемы;

Количество выводов корпуса;

Повышенная рабочая температура окружающей среды.

Уровень качества изготовления.

8.2. Алгоритм расчета интенсивности отказов микропроцессора (микроконтроллера) и функциональных узлов микропроцессора (микроконтроллера)

1.Определить эксплуатационную ИО микропроцессора или микроконтроллера (λэ мп), используя исходные данные с помощью одной из программ автоматизированного расчета: “АСРН”, “Асоника-К” или с помощью стандарта “Military HandBook 217F ”.

Примечание: далее все расчеты и комментарии будут приводиться с точки зрения применения АСРН, т.к. методологии использования и содержание программ, “Асоника-К” и стандарта “Military HandBook 217F ” имеют много общего.

2. Определить значение ИО ЗУ, входящих в состав микропроцессора (λ Э ОЗУ, λ Э ПЗУ, ППЗУ, λ Э РПЗУ) , предполагая, что каждое ЗУ представляет собой отдельную микросхему в своем корпусе.

λ Э ОЗУ = λ ОЗУ + λкорп,

λ Э ПЗУ, ППЗУ = λ ПЗУ, ППЗУ + λкорп,

λ Э РПЗУ = λ РПЗУ + λкорп,

где λ Э – эксплутационные значения ИО разных типов ЗУ, λкорп,– ИО корпусов для каждого типа ЗУ: λ ОЗУ, λ ПЗУ,ППЗУ, λ РПЗУ – ИО ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ без учета корпуса, соответственно.

Поиск исходных данных для расчета эксплуатационных значений ИО разных типов ЗУ производится по технической информации (Data Sheet ) и каталогам интегральных схем. В указанной литературе необходимо найти ЗУ, тип которых (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ), объем накопителя, организация и технология изготовления совпадают или близки к ЗУ входящих в состав микропроцессора (микроконтроллера). Найденные технические характеристики микросхем памяти используются в АСРН для расчета эксплуатационной ИО микросхем ЗУ. Мощность, потребляемая ЗУ, выбирается исходя из электрического режима работы микропроцессора (микроконтроллера).

3. Определить значения ИО внутри кристальных областей микропроцессора (микроконтроллера),ЗУ и АЛУ без учета корпуса: λкр мп, λ ОЗУ, λ ПЗУ,ППЗУ, λ РПЗУ, . λ АЛУ

ИО внутри кристальных областей микропроцессора, ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ определяются из соотношения: λкр = С 1 π т π Q π L.

ИО АЛУ и части кристалла без схем памяти определяется из выражения:

. λ АЛУ = λкр мп - λ ОЗУ - λ ПЗУ,ППЗУ - λ РПЗУ

Значения ИО других функционально законченных частей микропроцессора (микроконтроллера) находятся аналогичным образом.

4. Определить ИО накопителей внутри кристальных ЗУ: λ Н ОЗУ, λ Н ПЗУ,ППЗУ, λ Н РПЗУ.

На основании данных таблицы 3 можно выразить процентное соотношение количества транзисторов в разных функциональных областях ЗУ, предполагая, что общее количество транзисторов в ЗУ равно 100%. В таблице 4 приведено это процентное соотношение транзисторов, входящих в внутри кристальные ЗУ разных типов.

На основании процентного соотношения количества транзисторов, входящих в разные функциональные области ЗУ и найденного значения ИО внутри кристальной части ЗУ, определяются ИО функциональных узлов.

Таблица 4. Процентное соотношение транзисторов

Количественное соотношение транзисторов функциональных областей ЗУ (%)

Накопитель

Дешифратор

Блок местного управления

ПЗУ, ППЗУ

λ Н ОЗУ = 0,89*λ ОЗУ;

λ Н ПЗУ,ППЗУ = 0,607*λ ПЗУ,ППЗУ;

λ Н РПЗУ = 0,75* λ РПЗУ,

где: λ Н ОЗУ, λ Н ПЗУ,ППЗУ, λ Н РПЗУ – ИО накопителей ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ соответствен-но.

8.3. Расчет интенсивности отказов функциональных узлов ЗУ: дешифраторов, адресной части, схем управления.

Используя данные о соотношении количества транзисторов в каждой части ЗУ (таблица 4), можно найти интенсивности отказов дешифраторов, адресной части и схем управления ЗУ. Зная количество транзисторов в каждой части ЗУ можно найти интенсивность отказов группы или отдельных транзисторов ЗУ.

9. Расчет интенсивности отказов функционально законченных узлов микросхем памяти

В разделе приведен алгоритм расчета ИО функционально законченных узлов микросхем запоминающих устройств. Методика применима для микросхем памяти приведенных в АСРН.

9.1. Исходные данные для расчета интенсивности отказов

Ниже приведены исходные данные, необходимые для расчета ИО функционально законченных узлов микросхем памяти. Под функционально законченными узлами микросхем памяти будем понимать накопитель, адресную часть, схему управления. Методика позволяет рассчитывать также ИО частей функциональных узлов, отдельных вентилей, транзисторов.

Исходные данные

Тип памяти: ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ;

Информационная ёмкость ЗУ;

Организация ОЗУ;

Технология изготовления;

Потребляемая мощность;

Тип корпуса микросхемы;

Количество выводов корпуса;

Тепловое сопротивление кристалл – корпус или кристалл – окружающая среда;

Группа эксплуатации аппаратуры;

Повышенная рабочая температура окружающей среды;

Уровень качества изготовления.

9.2. Алгоритм расчета интенсивности отказов схем памяти и функционально законченных узлов схем памяти

1, Определить эксплуатационную ИО микросхемы памяти (λэ п), используя исходные данные с помощью одной из программ автоматизированного расчета: “АСРН”, “Асоника-К” или с помощью стандарта “Military HandBook 217F ”.

2. Определить значения ИО кристалла ЗУ без корпуса λкр зу.

λкр зу= С 1 π т π Q π L.

3. Расчет ИО накопителя внутри кристальных ЗУ и ИО функциональных узлов проводить в соответствии с разделом 8.2.

10. Расчет интенсивности отказов функционально законченных узлов программируемых логических интегральных схем и базовых матричных кристаллов

Каждое семейство ПЛИС состоит из набора типономиналов микросхем одинаковой архитектуры. Архитектура кристалла построена на основе использования одинаковых функциональных узлов нескольких типов. Микросхемы разных типономиналов внутри семейства отличаются друг от друга типом корпуса и количеством функциональных узлов каждого типа: конфигурируемый логический блок, блок входа/выхода, память, JTAG и тому подобное.

Следует отметить, что кроме конфигурируемых логических блоков и блоков входа/выхода каждая ПЛИС содержит матрицу ключей, формирующих связи между элементами ПЛИС. Учитывая тот факт, что названные области распределены равномерно по кристаллу, кроме блоков вход/выход, которые размещены по периферии, можно считать, что матрица ключей является частью конфигурируемых логических блоков и блоков входа/выхода.

Для расчета значений интенсивностей отказов функциональных узлов необходимо составить систему линейных уравнений. Система уравнений составляется для каждого семейства ПЛИС.

Каждое из уравнений системы представляет собой равенство, в левой части которого записывается значение ИО кристалла для конкретного типономинала микросхемы из выбранного семейства. Правая часть представляет собой сумму произведений количества функциональных узлов n категории i на ИО этих узлов λni .

Ниже приведен общий вид такой системы уравнений.

λ э a = a 1 λ 1 + a 2 λ 2 + …+a n λ n

λ э b = b 1 λ 1 + b 2 λ 2 + …+b n λ n

……………………………

λ э k = k 1 λ 1 + k 2 λ 2 + …+k n λ n

где

λ э a , λ э b , … λ э k –– эксплуатационные ИО микросхем семейства ПЛИС (микросхем а, в, …к, соответственно),

a 1 , a 2 , …, a n –– количество функциональных узлов 1, 2, … n категории в микросхеме а, соответственно,

b 1 , b 2 , …, b n –– количество функциональных узлов категории 1, 2, … n , в микросхеме в, соответственно,

k 1 , k 2 , …, k n –– количество функциональных узлов категории 1, 2, … n , в микросхеме к, соответственно,

λ 1 , λ 2 , …, λ n –– ИО функциональных узлов категории 1, 2, … n , соответственно.

Значения эксплуатационных ИО микросхем λ э a , λ э b , … λ э k рассчитываются по АСРН, количество и тип функциональных узлов приведены в технической документации на ПЛИС (Data Sheet или в отечественной периодике).

Значения ИО функциональных узлов семейства ПЛИС λ 1 , λ 2 , …, λ n находятся из решения системы уравнений.

11. Проверка результатов расчета

Проверка результатов расчета для микросхемы памяти производится путем расчета ИО кристалла другой микросхемы памяти с помощью полученного значения ИО ячейки памяти и сравнением полученного значения ИО кристалла с значением ИО, рассчитанным с использованием стандартных методов (АСРН, Асоника, и т.д.).

Проверка результатов расчета для ПЛИС производится расчетом ИО кристалла ПЛИС другого типономинала из этого же семейства с помощью найденных значений ИО функциональных узлов ПЛИС и сравнением полученного значения ИО ПЛИС со значением ИО, рассчитанным с использованием стандартных методов (АСРН, Асоника, и т.д.).

12. Пример расчета интенсивностей отказов функциональных узлов ПЛИС и проверка результатов расчета

12.1. Расчет ИО функциональных узлов и выводов корпусов ПЛИС

Расчет ИО проведен на примере ПЛИС семейства Spartan , разработанного фирмой Xilinx .

Семейство Spartan состоит из 5 типономиналов ПЛИС, в состав которых входят матрица конфигурируемых логических блоков, блоки входа/выхода, логика граничного сканирования (JTAG ).

ПЛИС, входящие в семейство Spartan , отличаются количеством логических вентилей, количеством конфигурируемых логических блоков, количеством блоков входа/выхода, типами корпусов и количеством выводов корпусов.

Ниже приведен расчет ИО конфигурируемых логических блоков, блоков входа/выхода, JTAG для ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL .

Для проверки полученных результатов рассчитывается эксплуатационная ИО ПЛИС ХСS 30XL .. Эксплуатационная ИО ПЛИС ХСS 30XL рассчитывается с использованием значений ИО функциональных узлов ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL . Полученное значение ИО ПЛИС ХСS 30XL сравнивается со значением ИО, рассчитанным с применением АСРН. Также для проверки полученных результатов сравниваются значения ИО одного вывода для разных корпусов ПЛИС.

12.1.1. Расчет интенсивностей отказов функциональных узлов ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL

В соответствии с выше изложенным алгоритмом расчета для расчета ИО функциональных узлов ПЛИС необходимо:

Составить перечень и значения исходных данных для ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL , ХСS 30XL ;

Рассчитать эксплуатационные ИО ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL , ХСS 30XL (расчет проводится по с использованием исходных данных );

Составить систему линейных уравнений для кристаллов ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL ;

Найти решение системы линейных уравнений (неизвестными в системе уравнений являются ИО функциональных узлов: конфигурируемых логических блоков, блоков входа выхода, логики граничного сканирования);

Сравнить значения ИО кристалла ПЛИС ХСS 30XL , полученное в предыдущем пункте, с значением ИО кристалла, полученным с помощью АСРН;

Сравнить значения ИО вывода для разных корпусов;

Сформулировать вывод о справедливости проведенных расчетов;

При получении удовлетворительного совпадения интенсивностей отказов (от 10% до 20%) прекратить расчеты;

При большом расхождении результатов расчета провести коррекцию исходных данных.

В соответствии с исходными данными для расчета эксплуатационной ИО ПЛИС являются: технология изготовления, количество вентилей, потребляемая мощность, температура перегрева кристалла относительно окружающей среды, тип корпуса, количество выводов корпуса, тепловое сопротивление кристалл-корпус, уровень качества изготовления, группа эксплуатации аппаратуры, в которой применяется ПЛИС.

Все исходные данные, кроме потребляемой мощности, температуры перегрева кристалла и группы эксплуатации аппаратуры, приведены в . Потребляемая мощность может быть найдена либо в технической литературе, либо расчетом, либо измерением на плате. Температура перегрева кристалла относительно окружающей среды находится как произведение потребляемой мощности и теплового сопротивления кристалл-корпус. Группа эксплуатации аппаратуры приведена в технических условиях на аппаратуру.

Исходные данные для расчета эксплуатационной интенсивности отказов ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL , ХСS 30XL приведены в таблице 5.

Таблица 5. Исходные данные

Исходные

Типономинал ПЛИС

ХСS 05XL

ХСS 10XL

ХСS 20XL

ХСS 30XL

Технология

изготовления

Максимальное количество логи

ческих вентилей

Количество кон-фигурируемых

логич. блоков, N клб

Количество ис-пользуемых входов/выходов, N вх/вых

Тип корпуса

VQFP

TQFP

PQFP

PQFP

Количество выводов корпуса

Тепловое сопро-тивление крис-талл – корпус, 0 С/Вт

Уровень качест-ва изготовления

Коммерческий

Группа эксплуа-тации аппарату-ры

Для определения температуры перегрева кристалла относительно температуры окружающей среды необходимо найти потребляемую мощность для каждой микросхемы.

В большинстве КМОП интегральных схемах почти вся рассеиваемая мощность является динамической и определяется зарядом и разрядом внутренних и внешних нагрузочных емкостей. Каждый вывод в микросхеме рассеивает мощность в соответствии с своей емкостью, которая постоянна для каждого типа вывода, а частота, при которой переключается каждый вывод, может отличаться от тактовой частоты работы микросхемы. Общая динамическая мощность представляет собой сумму мощностей рассеиваемых на каждом выводе. Таким образом для расчета мощности нужно знать количество элементов, используемых в ПЛИС. В для семейства Spartan приведены значения тока потребления блоков вход/выход (12мА) при нагрузке 50 пФ, напряжении питания 3,3 и максимальной частоте работы ПЛИС 80МГц. Предполагая, что потребляемая мощность ПЛИС определяется количеством переключающихся блоков вход/выход (как наиболее мощных потребителей энергии), и в связи с отсутствием экспериментальных данных по мощности потребления, оценим мощность потребляемую каждой ПЛИС, учитывая, что одновременно переключается 50% блоков вход/выход при некоторой фиксированной частоте (при расчете частота была выбрана в 5 раз ниже максимальной).

В таблице 6 приведены значения мощности, потребляемой ПЛИС и температуры перегрева кристаллов относительно корпуса микросхемы.

Таблица 6. Мощность, потребляемая ПЛИС

ХСS 05XL

ХСS 10XL

ХСS 20XL

ХСS 30XL

Потребляемая

мощность, Вт

Температура перегрева кристалла, 0 С

Рассчитаем значения коэффициентов в уравнении (1):

λэ = (С 1 π т +С 2 π E) π Q π L

Коэффициенты π т, С 2 , π E , π Q , π L рассчитываются по АСРН. Коэффициенты С 1 находим с использованием аппроксимации значений коэффициента С 1 , приведенных в АСРН для ПЛИС разной степени интеграции.

Значения коэффициента С 1 для ПЛИС приведены в таблице 7.

Таблица 7. Значения коэффициента С 1

Количество вентилей в ПЛИС

Значения коэффициента С 1

До 500

0,00085

От 501 до1000

0,0017

От 2001 до 5000

0,0034

От 5001 до 20000

0,0068

Тогда для максимального количества вентилей ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL , ХСS 30XL получим значения коэффициента С 1 , 0,0034, 0,0048, 0,0068, 0,0078 соответственно.

Значения коэффициентов π т, С 2 , π E , π Q , π L , значения ИО кристаллов и корпусов, а также эксплуатационные значения ИО микросхем ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL , ХСS 30XL приведены в таблице 8.

Таблица 8. Эксплуатационные значения ИО ПЛИС

Обозначение и наименование коэффициентов

Значения коэффициентов

ХСS 05XL

ХСS 10XL

ХСS 20XL

ХСS 30XL

π т

0,231

0,225

0,231

0,222

С 2

0,04

0,06

0,089

0,104

π E

π Q

π L

Интенсивность отказов кри-сталла, λкр = С 1 π т π Q π L *10 6 1/час

0,0007854

0,0011

0,00157

0,0018

Интенсивность отказов коруса, λкорп = С 2 π E π Q π L *10 6 1/час

0,445

0,52

Эксплуатационная интенсивность отказов ПЛИС λэ *10 6 1/час

0,2007854

0,3011

0,44657

0,5218

Найдем значения ИО конфигурируемых логических блоков λ клб, блоков вход/выход λ вх/вых и логики граничного сканирования λ JTAG для ПЛИС ХСS 05XL , ХСS 10XL , ХСS 20XL . Для этого составим систему линейных уравнений: * S 05 XL - ИО кристалла, количество конфигурируемых логических блоков, количество блоков вход/выход для ПЛИС ХСS 05XL , соответственно;

λкр ХС S 10 XL ,N клб ХС S 10 XL , N вх/вы ХС S 10 XL - ИО кристалла, количество конфигурируемых логических блоков, количество блоков вход/выход для ПЛИС ХСS 10XL , соответственно;

λкр ХС S 20 XL , N клб ХС S 20 XL , N вх/вы ХС S 20 XL - ИО кристалла, количество конфигурируемых логических блоков, количество блоков вход/выход для ПЛИС ХСS 20XL , соответственно.

Подставив в систему уравнений значения ИО кристаллов, количество конфигурируемых логических блоков и блоков вход/выход, получим:0,00157*10 -6 = 400*λ клб + 160 * λ вх/вых + λ JTAG

Система трех линейных уравнений с тремя неизвестными имеет единственное решение:

λ клб = 5,16*10 -13 1/час; λ вх/вых = 7,58*10 -12 1/час; λ JTAG = 1,498*10 -10 1/час.

12.1.2. Проверка результатов расчета

Для проверки полученного решения рассчитаем ИО кристалла ПЛИС ХС S 30 XL λкр ХС S 30 XL , используя найденные значения λ клб, λ вх/вых, λ JTAG .

По аналогии с уравнениями системы λкр ХС S 30 XL 1 равна:

λкр ХС S 30 XL 1 = λ клб * N клб ХС S 30 XL + λ вх/вых * N вх/вы ХС S 30 XL + λ JTAG =

576* 5,16*10 -13 + 192*7,58*10 -12 + 1,498*10 -10 = 0,0019*10 -6 1/час.

Значение ИО кристалла, полученное с использованием АСРН равно (таблица 9): 0,0018 *10 -6 . Процентное соотношение этих значений составляет: (λкр ХС S 30 XL 1 - λкр ХС S 30 XL )*100%/ λкр ХС S 30 XL 1 ≈ 5%.

ИО одного вывода, полученные делением ИО на количество выводов в корпусах для ПЛИС ХС S 05 XL , ХС S 10 XL , ХС S 20 XL , ХС S 20 XL , равны 0,002*10 -6 , 0,00208*10 -6 , 0,0021*10 -6 , 0,0021*10 -6 , соответственно, т.е. отличаются не более чем на 5%.

Отличие в значениях ИО составляющее около 5% определяется, вероятно, принятыми при расчете приблизительными величинами мощностей рассеивания, и, как следствие, неточными значениями коэффициентов π т, а также наличием неучтенных элементов ПЛИС, информация о которых в документации отсутствует.

В приложении приведена блок – схема расчета и проверки интенсивностей отказов функциональных областей ПЛИС.

13. Выводы

1.Предложена методика оценки ИО функциональных узлов интегральных схем.

2.Она позволяет рассчитывать:

а) для схем памяти - ИО накопителей запоминающих устройств, ячеек памяти, дешифраторов, схем управления;

б) для микропроцессоров и микроконтроллеров – ИО запоминающих устройств, регистров, АЦП, ЦАП и построенных на их основе функциональных блоков;

в) для программируемых логических интегральных схем – ИО, входящих в них блоков разного функционального назначения - конфигурируемых логических блоков, блоков входа/выхода, ячеек памяти, JTAG и построенных на их основе функциональных блоков.

3.Предложена методика проверки рассчитанных значений ИО функциональных узлов.

4. Применение методики проверки, рассчитаныых значений ИО функциональных узлов интегральных схем, показало адекватность предложенного подхода для оценки ИО.

Приложение

Блок-схема расчета интенсивности отказов функциональных узлов ПЛИС

Литература

Porter D.C, Finke W.A. Reability characterization an prediction of IC. PADS-TR-70, p.232.

Military Handbook 217F. “Reability prediction of electronic equipment”. Department of Defence, Washington, DC 20301.

“Автоматизированная система расчета надежности”, разработана 22ЦНИИИ МО РФ при участии РНИИ “Электронстандарт” и АО “Стандартэлектро”, 2006г.

“Полупроводниковые запоминающие устройства и их применение”, В.П.Андреев, В.В.Баранов, Н.В.Бекин и др.; Под редакцией Гордонова. М. Радио и связь. 1981.-344стр.

Перспективы развития вычислительной техники: В. 11 кн.: Справ. пособие/Под редакцией Ю.М.Смирнова. Кн. 7: “Полупроводниковые запоминающие устройства”, А.Б.Акинфиев, В.И.Миронцев, Г.Д.Софийский, В.В.Цыркин. – М.: Высш. шк. 1989. – 160 с.: ил.

“Схемотехника БИС постоянных запоминающих устройств”, О.А.Петросян, И.Я.Козырь, Л.А.Коледов, Ю.И.Щетинин. – М.; Радио и связь, 1987, 304 с.

“Надежность оперативных запоминающих устройств”, ЭВМ, Ленинград, Энергоиздат, 1987г, 168 с.

ТИИЭР, т.75, вып.9, 1987г.

Xilinx. The Programmable Logic. Date Book, 2008 г. http:www.xilinx.com.

“Сектор электронных компонентов”, Россия-2002г-М.: Издательский дом “Додэка-XXI ”, 2002г.

DS00049R-page 61  2001 Microchip Technology Inc .

TMS320VC5416 Fixed-Point Digital Signal Processor, Data Manual, Literature Number SPRS095K.

CD-ROM фирмы Integrated Device Technology.

CD-ROM фирмы Holtec Semiconductor.

 

Возможно, будет полезно почитать: