CC BY
75
УДК 53.083.8 Дианов В.Н.
Московский государственный индустриальный университет, Москва, Россия
ДИАГНОСТИКА ИНТЕГРО-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ СБОЕВВ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМОТЕХНИКИ
Для управления надежностью современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) необходимо диагностирование состояния ее элементов, получаемое в виде различных сигналов. В комбинационных (или цифровых) схемах, построенных на логических элементах (например, "И", "ИЛИ"), одним из информатив-
ных параметров, характеризующим качество функционирования, является время перехода из одного состояния в другое (например, из "0" в "1"). В случаях, когда время распространения сигнала внутри элемента достаточно мало, задержку перехода можно не учитывать. Но с повышением частоты изменения входных сигналов в реальных схемах начинается сказываться влияние времени распространения сигнала внутри элементов. Такие задержки могут порождать неустойчивую работу устройств, приводящую к сбоям. Особенно проблема сбоев актуальна в современных процессорах в связи с задержками сигналов на частотах порядка единиц гигагерц. В частности, обычный проводник с множеством близких изгибов на плате в таком высокочастотном режиме работы становится индуктивностью.
Задержка в элементе зависит от большого числа факторов (технологических, напряжения питания, нагрузки, линий связи). Задержки не только ограничивают быстродействие цепей, но и создают ложные сигналы в цепи, которые могут быть опасны при подключении схемы на элементы памяти. В этом случае ошибки не исчезают со временем. Такие ложные сигналы называют рисками сбоев [1].
Различают статические и динамические риски сбоя. Статические риски сбоя возникают в случае, если при смене входных сигналов состояние выхода не должно измениться. Динамический риск сбоя возникает в том случае, если в схеме предусмотрено изменение состояния выходного сигнала. При этом в силу разновременности переключения сигналов возможно многократное переключение выходного сигнала из "0" в "1"и обратно.
Наиболее универсальными и поэтому широко используемыми методами борьбы с рисками сбоя являются тактирование и стробирование. При тактировании по всему цифровому устройству разводится единая система тактирующих (синхронизирующих) сигналов, обеспечивающих запись информационных данных в регистры через время, которое превышает самый длинный процесс неопределенности, т.е. самую большую задержку во всех трактах схемы. Если же необходимо лишь очистить сигнал от рисков сбоя, а не запомнить его, то используется метод стробирования, реализуемый соответствующим построением комбинационной схемы.
Все методы, разработанные для устранения рисков сбоя в комбинационных схемах, объединяются в три группы: структурные, функциональные и конструктивно-технологические. Структурные методы направлены на получение необходимых свойств реализации устройства при неизменном алгоритме его работы. Функциональные методы связаны с изменением алгоритма работы, в частности с изменением кодирования состояний входов. Конструктивно-технологические методы ориентированы на получение требуемых ограничений на уровне используемых математических моделей. Структурные методы могут быть направлены на изменение внутренней структуры, т. е. реконфигурацию схемы, при отказе какого-либо элемента схемы. Функциональные методы при отказе должны предусматривать возможность перепрограммирования работы схемы.
Вместе с тем все описанные методы, предусматривающие устранение рисков сбоя в комбинационных схемах, имеют, на наш взгляд, ряд существенных недостатков, основными из которых являются сле-
дующие.
Первое. Появление сбоев предполагает их вероятностный, а не детерминированный характер. Как следствие - пассивные методы диагностики сбоев и борьбы с ними.
Второе. Рассматриваются только сбои в активных элементах (транзисторы, микросхемы) и совершенно в стороне оставлены вопросы обнаружения и регистрации сбоев в пассивных элементах (контактные дорожки печатных плат, контактирующие устройства БИС и СБИС, шины питания, экранирующие проводники, соединители).
Третье. Также в стороне оставлены вопросы воздействия и влияния внешних электромагнитных и помех по цепям питания.
Поэтому существующую степень обеспечения безотказности и отказоустойчивости аппаратуры предлагается дополнить бессбойностью и сбоеустойчивостью Особенно востребованы вопросы построения бессбойной аппаратуры в космическом приборостроении с учетом увеличения жизненного цикла космических аппаратов с 2 до 15 лет [2].
Управление жизненным циклом при этом должно осуществляться на основе информации о предвестниках отказов.
Другим важным направлением применения бессбойной аппаратуры является военная техника. С этой целью разработан ГОСТ, посвященный различным методам оценки частоты одиночных сбоев интегральных схем [3] . Вопросы построения бессбойной аппаратуры основаны на регистрации источников сбоев по различным информативным признакам и изложены в литературе [4].
Новизна решений по обнаружению и регистрации сбоев в технических средствах с применением методов активной диагностики запатентована и имеет значительный отечественный приоритет, в частности, по сравнению с США порядка 10 лет: см . РФ [5] - [9], США - [10] - [13]. Патентование решений по сбоям в США отмечено в таких фирмах как "Дженерал Электрик" [10], "Катерпилер" [12], а также
одним из мировых лидеров в области суперЭВМ - "ИБМ" [13].
В последнее время понятие «сбой», как и ранее понятие «отказ», все шире используется, помимо военной аппаратуры, в аппаратуре общепромышленной и специализированной. Данный факт подтверждается, например, серией ГОСТов по данной тематике [14] - [17] .
Все упомянутые отечественные ГОСТы, а также зарубежные источники по сбойной тематике (патенты) характеризуются случайными или статистическими оценками, несмотря на многообразие определений «сбой». Однако в ряде случаев важен не только сам факт обнаружения и регистрации сбоя, но дополнительно требуется знать и характеристики этого сбоя, например, время жизни сбоя, его пограничное (исправно, отказ) или промежуточное состояние, внешнее или внутренне его проявление (например, проявление сбоя в виде внешней, внутренней электромагнитной или низкочастотной помехи) временной или частотный характер его проявления и т. д.
В связи с изложенным, предлагается в теорию сбоев, прежде всего в теорию надежности и безопасности, ввести следующие понятия: «дифференциальный сбой», «интегральный сбой», «интегро-дифференциальный сбой». 1
Ранее в существующие методы обнаружения и регистрации источников сбоев был впервые предложен дифференциальный метод [18]. Метод позволял фиксировать источник сбоя в пассивных элементах РЭА -линиях связи, интерфейсных шинах, шинах электропитания и заземления, соединителях, шинах управле-
ния. Все вышеперечисленные элементы, имеющие как существующие скрытые дефекты, так и приобретенные в процессе эксплуатации в виде микротрещин, микрозазоров, частичных обрывов, некачественных контактов в соединителях, дополнялись в электрических схемах замещения микроемкостями [19].
Последующее большое входное омическое сопротивление нагрузки (например, десятки мегаом у КМОП-схем) вместе с образованной микроемкостью дефекта создавало предпосылки для дифференцирования проходящих через данную цепь полезных сигналов и, следовательно, регистрации скрытого дефекта в виде сбоя. Это, в свою очередь, позволяло фиксировать начальный этап (начало) сбойного состояния (сбоя) элемента.
С другой стороны, в процессе дальнейшего разрушения элемента в месте зафиксированного источника сбоя его электрическое сопротивление возрастало в десятки и сотни раз. Пример. Соединитель РППМ 27-90, используемый в отечественных суперЭВМ, в частности, серии «Эльбрус», в исправном и включенном состоянии имеет омическое сопротивление порядка 20 - 30 миллиом. В сбойном состоянии (например, перед разрушением) это сопротивление увеличивается до сотен ом. Включая дополнительную микроемкость параллельно той же КМОП-нагрузке, в результате имеем уже интегрирующую цепь. Данную цепь можно использовать как предвестник отказа элемента [4] в промежуточном состоянии сбойного элемента, то есть после фиксации дифференциального сбоя и до момента фиксации интегрального сбоя, диагностировать состояние скрытого дефекта можно, используя, например, кодоимпульсную модуляцию сигналов [20].
Таким образом, вводя понятия «дифференциальный сбой» и «интегральный сбой», получаем возможность более детального описания (начало сбоя, конец сбоя) одного и того же сбоя. Объединяя данные понятия в одно, т.е. в интегро-дифференциальный сбой, можно вести речь уже о запасе живучести элемента в сбойном состоянии или времени жизни сбоя [21]. В свою очередь, знание параметра «время жизни сбоя» позволяет однозначно определять такой важный параметр системы, как «остаточный ресурс» [22].
Применительно к логическому элементу комбинационной схемы необходимо отметить, что изменение состояния элемента от исправного состояния до состояния предвестника отказа происходит по экспоненте с тем или иным показателем или постоянной экспоненты [23]. Естественно, что переход в элементе от «0» до «1» будет осуществляться уже не мгновенно, а за конечное время, т. е. длительность фронта будет конечной (т фр # 0). Используя известную формулу, можно параметр «длительность фронта» увязать с верхней граничной частотой сбоя frp (т фр ~0,35/ frp) [24] . По полученной верхней граничной частоте данный дифференциальный сбой можно зафиксировать бесконтактно, используя информативный параметр «электромагнитное излучение» [25] . Там же описан и принцип работы бесконтактного датчика сбоя, а его оригинальная реализация предложена в [26].
Состояние интегрального сбоя, наступающее после состояния дифференциального сбоя, будет соответствовать уже более низкой частоте, учитывая увеличение длительности фронта импульса. Диапазон изменения длительности фронтов от дифференциального сбоя до интегрального можно определить либо экспериментально (до эксплуатации), либо посредством моделирования сбойных состояний с учетом влияния на них различных данных времени запаздывания испытуемого элемента. Идеология построения датчика интегро-дифференциального состояния сбоя, настроенного, например, на две частоты (верхнюю и нижнюю), соответствующие дифференциальному и интегральному сбойным состояниям элемента, изложено в [8] и была реализована, в частности, в [27].
Необходимо отметить, что обнаружение и регистрация сбоев по дифференциальному и интегральному признакам, а также фиксация промежуточного между ними признака, связана с интеллектуальной обработкой сбойных сигналов вследствие обнаруженных интеллектуальных свойств в пассивных элементах [28.]
В частности, в сбойном состоянии элементов был зарегистрирован еще ряд информативных признаков, отличных от других состояний элементов («исправно», «отказ»). Выявить эти состояния удалось и за счет оригинальной обработки кодоимпульсных сигналов, в частности, при одновременной их обработке во временной и частотной областях [29], [30] . .Проведенные экспериментальные исследования подтвердили высказанное априори данное предположение, что позволило все полученные результаты зарегистрировать в качестве открытия с выдачей соответствующих документов Российской академией естественных наук [31].
Обнаружение и регистрация дифференциального сбоя, свидетельствующие о появлении или наличии скрытого дефекта, были впервые предложены для реализации в автомобильных датчиках [32].
Обнаружение и регистрация интегрального сбоя, фиксирующие предстоящий переход элемента из сбойного состояния в отказное, впервые были получены в датчиках-расходомерах [33].
Обнаружение и регистрация интегро-дифференциального сбоя, определяющие длительность (время жизни) сбоя, были предложены при диагностике одно- и многослойных печатных плат [34] , [35] . Вопросы обнаружения и регистрации дифференцальных и интегральных сбоев, а также мажоритарной обработки сигалов внутренних и внешних помех, решены в парковочных системах повышенной надежности [36] .
В связи с этим, существующую классификацию методов обнаружения и регистрации источников сбоев предложено дополнить интегро-дифференциальным методом и методом мажоритарной обработки сбойных сигналов (рис.1).
Рис.1. Уточненная классификация методов обнаружения и регистрации источников сбоев ^
Выводы
В теорию сбоев введены новые понятия: дифференциальный сбой, интегральный сбой, интегро-
дифференциальный сбой.
На примере активных элементов (транзисторов, микросхем) комбинационных схем показан практический смысл введенных понятий, в частности при обнаружении и регистрации данных видов сбоев.
Предложен мажоритарный метод обработки сигналов внешних и внутренних электромагнитных помех.
ЛИТЕРАТУРА
1. Воробьев Н.В. Методы анализа комбинационных схем на риски сбоя^/Chip News/.- 1997. №12.
2. Данилин Н.С., Колесников Н.П. Управление жизненным циклом космического аппарата на основе информации о предвестниках отказов. Сетевой электронный журнал «Системотехника», №8, 2010
3. ГОСТ РВ 20.57.415. Методы оценки частоты одиночных сбоев интегральных схем.
4. Дианов В.Н. Концептуальные особенности построения бессбойной аппаратуры//Автоматика и телемеханика. 2012. №7. С.119 - 138.
5. Дианов В.Н. Способ контроля электрических соединителей. Патент РФ № 2001413, 1993. Б . И. №
3 7. С . 6 .
6. Дианов В.Н. Способ обнаружения скрытых дефектов соединителей. Патент РФ № 2003126, 1993.
Б.И. № 42. С. 9.
7. Дианов В.Н. Способ бесконтактного контроля электрических соединителей. Патент РФ №
2003993, 1993. Б.И. № 43. С. 5.
8. Дианов В.Н. Способ контроля электрических соединителей. Патент РФ № 2050555, 1995. Б . И. №
3 5. С . 10.
9. Дианов В.Н., Мартынюк Д.В., Дианов С.В. Способ контроля электрических соединителей. Патент
РФ на изобретение № 2001412, 1993, бюл. № 3 7 - 3 8, 4 с .
10. Патент США №6336065, МПК G 06F 11/25 от 2003
11. Патент США №6324655, МПК G 06F 11/00 от 2003.
12. Патент США №6363332, МПК G 06F 15/00 от 2002.
13. Патент США №6341360, МПК G 06 F 11/00, G 01R 31/28 от 2003.
14. ГОСТ РВ 20.39.302 - 98. Комплексная система общих технических требований.
15. ГОСТ РВ 20.57.305 - 98. Комплексная система контроля качества.
16. ГОСТ Р UCO/МЭК 15408 2 - 2008.Криптография.
17. ГОСТ Р 50 922-96. Защита информации. Основные термины.
18. Дианов В.Н. Диагностика сбоев в электронной аппаратуре // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение». 2007.
№ 2 (67) , С. 16 - 47.
19. Дианов В.Н. Сбои в технических системах. Монография.М.: Машиностроение, 1999. С. 97.
20. Дианов В.Н. Интегро-дифференциальная кодо-импульсная модуляция в задачах диагностики скрытых дефектов сложных объектов. International Scientific - Practical Conference"Innovative Information Technlogies"(I2 T) .Prague - 2012, April 23 - 27. C.403 - 405.
21. Белоусов И.М., Дианов В.Н. Метод определения запаса живучести элемента в сбойном состоянии. Internftional Scientific - Practical Conference "Innovative Information Technologies (I2T). Part 2 Innovative Information Technologies in Science. Prague - 2013, April 22 - 26. C.473
- 478.
22. Dianov V.N. The concept of improving the reliability of non-destructive testing equipment // 10th Europ. Conf. on Non-Destructive Testing (ECNDT). Moscow, 2010. Abstracts. Part 2. P. 248
- 250.
23. Дубницкий Л.Г. Предвестники отказов в изделиях электронной техники. М. Радио и связь. 1989 .
24. Бесконтактный контроль и диагностика соединителей высокопроизводительных вычислительных систем // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ЭВТ. 1992. Вып. 6. С. 93 -101.
25. Дианов В.Н. Автоматические и электронные системы транспортных средств повышенной надежности. Монография. ИД «Лига», Коломна. 2009. С.320.
26. Дианов В.Н., Царев Б.Д., Дианов С.В., Поликер Б.Е., Датчик электрических сигналов// Патент РФ на изобретение № 2064189. 1996. Бюл. № 20, С.7.
27. Некрасов В.Н, Савостин Ю.М. Гидроакустическая антенна. Патент РФ на изобретение № 2201041 от 21.07. 2000 . МПК 7 H04R 1/44 A; 7 H04R 29/00;7 G01S 15/В.
28. Дианов В.Н. Интеллектуальные свойства пассивных элементов радиоэлектронной аппаратуры. Труды восьмого международного. симпозиума. «Интеллектуальные системы». INTELS'2008, Россия, Нижний Новгород, 30 июня - 4 июля 2008 г., С. 56 - 61
29. Вьюшков Ю.А., Дианов В.Н. Асинхронный электропривод с широтно-импульсным управлением. Авторское. свидетельство. СССР № 365789. Б.И. 1973. № 6.
30. Плюшкин К.В., Саркисов A.A., Власов Д.В., Дианов В.Н. Интеллектуальная диагностика сбоев исполнительных механизмов и датчиков с применением кода Вьюшкова-Дианова // Контроль, Диагностика. 2006. № 4 (94) . 5 с.
31. Дианов В.Н., Северцев Н.А., Евтушенко Ю.Г. Свойство пассивных элементов радиоэлектронной аппаратуры увеличивать количество считываемой информации о системе под воздействием электрических колебаний. Научное открытие в области теории надежности, теории безопасности (диплом 47-S). Научные открытия 2012. Сборник кратких описаний научных открытий, научных идей. С.44-46. Издание РАЕН.
32. Дианов В.Н., Саркисов А.А., Власов Д.В. Способ и устройство для интеллектуальной диагностики сбоев автомобильных датчиков. Патент РФ № 2292578, 2007. Бюл. № 3.
33. Дианов В.Н., Черепова Е.А., Егорова А.О., Куликова О.Н., Стасенок К.О., Бабаян Б.Ю. Датчик-расходомер с обнаружением источников сбоев. Патент РФ на полезную модель № 86732, 2009. Бюл. № 25.
34. Diаnоv V. N. 2006 IEEE Active Diagnostics of the Failures in Printed - Circuit - Boards. Moscow State Industrial University, Russia. EMC - Zurich in Singapore 2006 17 th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility, 27 February-3 March 2006, Singapore, Suntec International Convention & Exhibition Centre. P. 194 - 197.
35. Дианов В.Н., Пузанов А.В., Миронов М.Н., Барышников Д.А., Медведев А.И. Аппаратура для тестирования печатных плат с обнаружением скрытых дефектов. Патент РФ на полезную модель № 91767, 2010. Бюл. № 6.
36. Дианов В.Н., Гевондян Т.А., Белоусов И.М., Люминарская Е.С., Дусеев С.Г. Парковочная система.Решение РОСПАТЕНТа о выдаче патента на полезную модель от 20.02.2014 по зая^ке №2013144952/11(069499) от 08.10.2013. 5с.
