Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 232
Текст из файла (страница 232)
Вместо этого надежность системы можно оценить с помощью простой математической модели, используя информацию о надежности отдельных компонентов. Надежность давно выпускаемых компонентов (например, надежность КМОП- 1050 Глава 11. Практические дополнения микросхем 74гСТ) может быть известна по результатам фактически проведенных экспериментов и опублиювана, в то время как надежность новых компонентов (например, надежность микропроцессора Бехипп) можно оценить, экстраполируя опыт работы с подобными устройствами.
В любом случае надежность компонента обычно задается одним числом — «интенсивностью отказов», о чем говорится ниже. 11.3.1. !!мтенсивность отказов Интенсивность отказов !)а!!игв га!е) — это число отказов компонента или системы в единицу времени.
В математических формулах интенсивность отказов обычно обозначают греческой буквой Х, Так как отказы в электронном оборудовании происходят редко, интенсивность отказов измеряется или оценивается путем исследования большого числа идентичных экземпляров данного компонента или устройства. Если, например, мы наблюдаем за работой 10000 микропроцессоров в течение 1000 часов и за это время восемь из них вышли из строя, то можно сказать, что интенсивность отказов равна 8 отказов ). = 4 з = 8 10 отказов в час на одну микросхему. !0 микросхем 10 часов Таким образом, интенсивность отказов в расчете на одну микросхему составляет 8 10 ~ отказов!час. В действительности, процесс оценки надежности совокупности гвикросхем не так прост, как толью что было описано; для получения более полной информапии следует обратиться к специальной литературе.
Однако, как мы покажем позже в этогв параграфе, можно непосредственно воспользоваться полученной любыми способами интенсивностью отказов отдельных компонентов для предсказания общей надежности системы. Поскольку у типичных электронных компонентов интенсивность отказов очень мала, принято указывать ее числом единиц в том или ином временнбм масштабе: процент отказов за 10 часов, число отказов за!О или за 10 часов. Последняя единица называется г"ГТ: 1 Е1Т = 1 отказ ! (1Оэ часов). Можно сказать, что в предыдущем примере с микропроцессором 7ь = 800 Р1Т. Для типичного электронного компонента интенсивность отказов является функцией времени. Как показано на рис. 11.5, типичный компонент имеет высокую интенсивность отказов в течение начального срока службы, когда проявляется большинство производственных дефектов; отказы в течение этого периода называются отказами в начальный период зксплуатаг!ии (!п~ап! ток!а!!гу).
В связи с большой вероятностью отказов в начальный период эксплуатации при производстве высококачественного оборудования проводится его испытание на отказ !Ьигп-!и), состоящее в том, что перед отправкой оборудования заказчику в течение некоторого времени наблюдают за его работой — от 8 часов до 8 суток. При испытании на отказ большинство сбоев, которые могут произойти в начальный периол, происходит на заводе, а ие у заказчика.
По-видимому, даже без ис- 11.3. Оценка надежности цифровой системы 1051 черпывающей проверки на отказ в начальный период работы, гарантия сроком 90 дней, оговариваемая многими производителями электронного оборудования, фактически охватывает большинство отказов„которые происходят в течение нескольких первых лет эксплуатации (когда отказ происходит на 9 ! -ый день, это ужасно!). Ситуация здесь принципиально отличается от той, какая имеет место в случае с автомобилем или узлом иного механического устройства, когда в результате износа интенсивность отказов со временем увеличивается.
Интенсивность олэзсв Рмс. 11.5. 0-образная кривая интенсивности отказов электронного компонента Если электронный компонент успешно прошел испытание на отказ, то можно ожидать, что интенсивность отказов будет оставаться практически постоянной. На более позднем этапе работы может сказываться износ (веаг-оиг) компонента, что приводит к увеличению интенсивности отказов. Прежде, нередко, после нескольких тысяч часов работы происходило ухудшение свойств электронных ламп из-за старения катода, вызванного тепловыми нагрузками. Теперь в большинстве случаев электронное оборудование устаревает прежде, чем начинают происходить отказы полупроводниковыхкомпонентов. Например, несмотря нато,чтошнрокоеприменение стираемых программируемых ПЗУ началось более 25 лет назад и для большинства из них гарантировалось сохранение данных в течение только ! 0 лет, мы не видели массовых отказов оборудования из-за потери информации.
(Вы знаете кого-нибудь, у кого есть персональный компьютер илн видеомагнитофон ! 0-летней давности?) Таким образом, на практике не принимаются во внимание отказы электронных компонентов в начальный период работы и по причине износа в конце срока службы, и надежность рассчитывается при условии, что интенсивность отказов электронного оборудования остается постоянной в течение нормального срока службы. Это предположение означает, что отказ одинаково вероятен в любой момент времени в течение срока службы компонента, и это позволяет нам, как будет показано позже в этом параграфе, использовать упрощенную математическую модель для предсказания надежности системы. Существуют и другие факторы, оказывающие влияние на интенсивность отказов компонента, такие как температура, влажность, ударные воздействия, вибрация и периодическое включение и выключение питания.
Для ИС наиболее существенным из перечисленных факторов является температурный фактор. Многие механизмы отказа ИС связаны с химическими реакциями, происходящими в кристалле полупроводника из-за разного рода загрязнений, которые ускоряются при 1052 Глава 11. Практические дополнения более высоких температурах. Аналогично, на надежность влияют электрические перегрузки транзисторов, в результате которых они слишком сильно нагреваются и в конечном счете выходят из строя, причем происходит это тем чаще, чем выше температура, при которой работает устройство.
Теория и практика наглядно подтверждают следующее широко применяемое эмпирическое правило. ° Интенсивность отказов интегральных схем примерно удваивается при повышении их температуры на каждые 10'С. В большей или меньшей степени это правило справедливо и для большинства других электронных компонентов. Заметьте, что температура, фигурирующая в приведенном правиле, — это внутренняя температура ИС, а не температура окружающего воздуха. В системе без принудительного воздушного охлаждения внутренняя температура компонента, потребляющего большую мощность, может быть на 40 — 50'С выше температуры окружающей среды.
Удачно расположенный вентилятор позволяет понизить эту разность до 10-20'С, в результате чего интенсивность отказов компонентов может упасть в 10 раз. 11.3.2. Надежность и среднее время между отказами Можно показать, что для компонентов с постоянной интенсивностью отказов Л надежность является показательной функцией времени: Р(г)=е" . Кривая надежности, изображенная на рис. 11.4, представляет собой именно такую функцию; приведенный на этом рисунке график соответствует значению Л, равному 1 отказ/год. Другим критерием надежности компонента или системы служит среднее время между отказами (глеап гиле ьепгееп гадигез, м7ВР), то есть среднее время, спустя которое компонент выходит из строя.
Для компонентов с постоянной интенсивностью отказов Л среднее время между отказами просто равно величине,обратной Л; МТВг = 1/Л. 11.3.3. Надежность системы Допустим, что мы построили систему из гл компонентов с интенсивностью отказов Лп Л, ..., Л . Предположим, что для правильной работы системы асе компоненты должны быть исправны. Согласно элементарной теории вероятностей, надежность системы в этом случае находится по формуле )оке(~) = ~, (г) ' ~з(~) ' -. ~е(~) =и ' е '. е '" -(А~+Ля+ +Х )1 11.3.
Оценка надежности цифровой системы 1053 где =Л -~-Л -~-„.-~-Л Таким образом, надежность системы также является показательной функцией, в которой интенсивность отказов системы Л равна сумме интенсивностей отказов е6 отдельных компонентов. Предположение о постоянстве интенсивности отказов сильно упрощает определение надежности системы: чтобы найти интенсивность отказов системы, просто складываются интенсивности отказов отдельных компонентов. Интенсивность отказов отдельных компонентов можно узнать у производителя или из справочников по надежности, а также воспользовавшись стандартами компании, в которой вы работаете. В качестве примера в табл.
11,1 приведены некоторые данные стандарта одной компании. Так как интенсивность отказов служит лишь оценкой, в этой компании решили упростить жизнь разработчика путем указания только основных категорий компонентов, не приводя «точных» значений интенсивности отказов для каждого компонента в отдельности. В других компаниях используют более подробные таблицы, а в неюторых системах САП поддерживается база данных с интенсивностямии отказов компонентов, что позволяет автоматически рассчитать суммарную интенсивность отказов схемы по перечню элементов, входящих в состав схемы. Табл.
11.1. Типичные значения интенсивности отказов компонентов прн тем- пературе 55'С Интенсивность отказов (ЯТ) Предположим, что нам необходимо собрать на одной плате систему, состоящую из микропроцессора, выполненного в виде СБИС, 16 микросхем памяти и других больших интегральных схем, 2 ИС малой степени интеграции, 4 ИС средней степени интеграции, ! 0 резисторов, 24 развязывающих конденсаторов и разьема с 50 контактами. Используя данные из табл. 11.1, находим суммарную интенсивность отказов: Л = (1000+ 16 250 ь 2 90 а 4 160+ 10 .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
