1. Введение

Один из основных параметров ЭВМ — надежность — зависит как от надежности используемой элементной базы, так и от принятых схемотехнических и конструкторских решений. Учитывая значимость современной ЭВМ в хозяйственной деятельности человека, требования к ее надежности постоянно повышают. Это связано с тем, что от правильной работы ЭВМ зависят ход выполнения технологического процесса, достоверность получения результатов расчетов, жизнеобеспечение космического аппарата и т. д. Поэтому вопросам повышения надежности ЭВМ на всех этапах ее проектирования и производства уделяется самое большое внимание. Одна из важнейших задач, стоящих перед конструкторами, — разработка ЭВМ и систем, обладающих высокой экономической и технической эффективностью, которая в значительной степени определяется их надежностью.

Надежность ЭВМ — свойство выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в допустимых пределах в течение требуемого промежутка времени, и возможность возобновления функционирования, утраченного по тем или иным причинам.

2. Основне показатели надёжности

В любой момент времени ЭВМ может находиться в исправном или неисправном состоянии. Если ЭВМ в данный момент времени удовлетворяет всем требованиям, установленным как в отношении основных параметров, характеризующих нормальное выполнение вычислительных процессов (точность, быстродействие и др.), так и в отношении второстепенных параметров, характеризующих внешний вид и удобство эксплуатации, то такое состояние называют исправным состоянием. В соответствии с этим определением неисправное состояние — состояние ЭВМ, при котором она в данный момент времени не удовлетворяет хотя бы одному из этих требований, установленных в отношении как основных, так и второстепенных параметров.

Однако не каждая неисправность приводит к невыполнению ЭВМ заданных функций в отношений основных параметров. Например, образование вмятин или ржавчины на корпусе машины, выход из строя лампочек подсветки не могут препятствовать эксплуатации ЭВМ. Поэтому для оценки надежности систем введены понятия "работоспособность" и "отказ".

Работоспособность — состояние ЭВМ, при котором она в данный момент времени соответствует всем требованиям в отношении основных параметров, характеризующих нормальное протекание вычислительных процессов. Отказ — событие, состоящее в полной или частичной утрате работоспособности системы. Так как не всякая неисправность приводит к отказу, то на практике различают неисправности основные и второстепенные. Основные неисправности приводят к отказу. Второстепенные неисправности не приводят к отказу, однако создают неудобства в эксплуатации и портят внешний вид ЭВМ. Поэтому второстепенные неисправности целесообразно своевременно устранять.

Возникновение отказа во времени — случайное событие, что позволяет для оценки надежности ЭВМ использовать методы теории вероятности и математической статистики.

Чтобы определить влияние на характеристики ЭВМ отказов различного вида, целесообразно произвести их классификацию.

По характеру изменения параметров до момента возникновения отказы делят на внезапные и постепенные. Внезапные (катастрофические) отказы возникают в результате мгновенного изменения одного или нескольких параметров элементов, из которых построена ЭВМ (обрыв или короткое замыкание). Устранение внезапного отказа производят заменой отказавшего элемента (блока, устройства) исправным или его ремонтом. Постепенные отказы возникают в результате постепенного изменения параметров элементов до тех пор, пока значение одного из параметров не выйдет за некоторые пределы, определяющие нормальную работу элементов (старение элементов, воздействие окружающей среды, колебания температуры, влажности, давления, уровня радиации и т. п.), механические воздействия (вибрации, удары, перегрузки). Устранение постепенного отказа связано либо с заменой, ремонтом, регулировкой параметров отказавшего элемента, либо с компенсацией за счет изменения параметров других элементов.

По характеру устранения отказы делят на устойчивые и самоустраняющиеся. Для устранения устойчивых отказов оператор, обслуживающий ЭВМ, должен отрегулировать или заменить отказавший элемент. Самоустраняющиеся отказы исчезают без вмешательства оператора и проявляются в форме сбоя или перемежающего отказа. Сбой — однократно возникающий самоустраняющийся отказ. Если несколько сбоев следуют друг за другом, то имеет место перемежающийся отказ. Отказ типа сбоя особенно характерен для ЭВМ. Появление сбоев обусловливается внешними и внутренними факторами. К внешним факторам относятся колебания напряжения питания, вибрации, температурные колебания. Специальными мерами (стабилизации питания, амортизация, термостатирование и др.) влияние этих факторов может быть значительно ослаблено. К внутренним факторам относятся флуктуационные колебания параметров элементов, несинхронность работы отдельных устройств, внутренние шумы и наводки.

Если в ЭВМ возникает сразу несколько отказов, то по их взаимной связи различают независимые отказы (возникновение их не связано с предшествующими отказами) и зависимые (появление их вызвано отказом в предыдущий момент времени).

По внешним проявлениям отказы делят на явные и неявные. Явные отказы обнаруживаются при внешнем осмотре, а неявные отказы — специальными методами контроля.

Введенное выше понятие "отказ" позволяет рассмотреть основные эксплуатационные свойства ЭВМ: безотказность, ремонтоспособность, долговечность, сохраняемость. Безотказность — свойство ЭВМ непрерывно сохранять работоспособность в заданных режимах и условиях эксплуатации без вынужденных простоев. Это свойство характеризует функционирование системы до первого отказа и используется при оценке надежности ЭВМ одноразового применения. Ремонтоспособностъ — свойство ЭВМ, заключающееся в приспособлении к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Долговечность — свойство ЭВМ сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Необходимо отметить, что предельное состояние определяется технической непригодностью ЭВМ из-за снижения эффективности или требований техники безопасности и оговаривается в технической документации. Сохраняемость — свойство изделия сохранять эксплуатационные показатели в течение заданного срока хранения и после него. Это свойство характеризует безопасность ЭВМ в режиме хранения.

Надежность как сочетание свойств безотказности, ремонтоспособности, долговечности и сохраняемости и сами эти качества количественно характеризуются различными функциями и числовыми параметрами. Правильный выбор количественных показателей надежности ЭВМ позволяет объективно сравнивать технические характеристики различных вычислительных систем как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации (правильный выбор системы элементов, технические обоснования работы по эксплуатации и ремонту ЭВМ, объем необходимого запасного имущества и др.).

При определении надежности ЭВМ необходимо знать: а) процесс возникновения отказов устройств ЭВМ; б) конфигурацию системы, которая описывает характер соединения устройств и правила их работы; в) порядок обслуживания и ремонт устройств ЭВМ.

Процесс возникновения отказов в ЭВМ обычно описывается сложными вероятностными законами. Поэтому в инженерной практике для оценки надежности ЭВМ вводят количественные характеристики, для определения которых обычно используют экспериментальные данные и последующую их обработку. Выбор количественных характеристик надежности зависит от вида ЭВМ (восстанавливаемые и невосстанавливаемые ЭВМ).

Невосстанавливаемые ЭВМ — ЭВМ, которые в процессе выполнения своих функций не допускают ремонта. Если происходит отказ какого-либо устройства, то выполняемая операция будет сорвана и ее необходимо начинать вновь в том случае, если возможно устранение отказа. К таким устройствам относят как устройства одноразового действия, так и устройства многократного действия (системы ПВО, системы управления воздушным движением, системы управления химическими, металлургическими и другими ответственными технологическими процессами).

Восстанавливаемыми ЭВМ называют ЭВМ, которые в процессе выполнения своих функций допускают ремонт. Если произойдет отказ такой ЭВМ, то он вызовет прекращение функционирования изделия только на период устранения отказа.

3. Параметры надёжности

Показатели надежности невосстанавливаемых ЭВМ — плотность распределения времени безотказной работы f(t), вероятность безотказной работы P(t), вероятность отказа Q(t), интенсивность отказов λ(t), средняя наработка до первого отказа Тср.

Наиболее точная количественная мера надежности каждого изделия — его индивидуальная наработка до момента возникновения отказа. На практике же достаточно полная характеристика надежности — плотность распределения времени безотказной работы данного типа изделий f(t) и интенсивность отказов λ(t). Для определения функций f(t) и λ (t) используют экспериментальные данные по испытанию изделий на надежность. При этом опыт ставится следующим образом: испытанию подвергают большую партию изделий N0, время наблюдения разбивают на n небольших отрезков ∆t, на каждом из этих отрезков определяют число отказавших изделий ∆Ni. Отказавшие изделия либо не заменяют новыми (при определении f(t) и λ(t) невосстанавливаемых элементов), либо заменяют новыми (для восстанавливаемых элементов). По полученным результатам значение вероятности безотказной работы изделия в момент времени t, характеризующее его надежность, может быть определено из следующих соображений.