Имитационная модель надежности резервированной вычислительной системы с периодическим восстановлением информации

Для цифровых информационно-управляющих систем, выполненных по современной нанотехнологии, характерна повышенная чувствительность к попаданию частиц высокой энергии при работе в условиях радиации. Наиболее часто она проявляется в периодическом возникновении мягких отказов, то есть искажений информационных битов в элементах памяти системы при сохранении аппаратурой работоспособности. Причиной этому являются ложные импульсы тока на выходах логических элементов, возникающие вследствие ионизации подзатворной области полупроводника транзистора после попадания в него частицы высокой энергии. Для борьбы с мягкими отказами в систему внедряют механизмы самовосстановления, обеспечивающие периодическую перезапись искаженных данных корректными. При таком подходе к проектированию значительно возрастает значимость анализа надежности разрабатываемой системы. Так как регулярное возникновение мягких отказов является по сути штатным режимом работы системы в условиях повышенной радиации, анализ надежности необходимо многократно проводить еще на этапе ее проектирования, поскольку только таким образом можно своевременно оценить качество выбранных архитектурных решений. Однако специфика разрабатываемых отказоустойчивых программно-аппаратных систем, связанная с наличием в них детерминированных процессов восстановления, ограничивает применимость известных методов анализа надежности. Поведение этих систем затруднительно формализовать в виде модели надежности в рамках классической теории надежности, ориентированной на оценку аппаратных структур. Выявлено, что применение традиционных методов анализа надежности (таких, как использование марковской модели или логико-вероятностных методов) требует принятия ряда допущений, которые приводят к появлению недопустимых погрешностей в результатах оценки или к невозможности ее проведения.

Цель. Разработка модели и методов анализа надежности, позволяющих оценивать надежность программно-аппаратных систем с периодическим восстановлением.

Результаты. Разработана имитационная модель, предназначенная для оценки надежности сложных восстанавливаемых информационно-управляющих систем. Модель представляет собой сеть ориентированных графов состояний, которая позволяет описать поведение восстанавливаемой системы с учетом наличия в ней вычислительных процессов и процессов восстановления, работающих по детерминированным алгоритмам. На основании имитационной модели разработано программное средство анализа надежности, позволяющее получить вероятностную оценку характеристик надежности отдельных узлов системы и всей ее структуры в целом путем компьютерного моделирования внутренних процессов возникновения отказов и восстановлений. Данное средство может быть использовано при комплексной оценке надежности программно-аппаратных систем, которая предполагает проведение анализа восстанавливаемых узлов со сложным поведением с помощью разработанной имитационной модели, а их работу в совокупности с простыми аппаратными элементами, такими как источники питания и предохранители, – с помощью традиционных аналитических методов анализа надежности. Такой подход к оценке надежности реализован в программном средстве анализа надежности «Digitek Reliability Analyzer».

Практическая значимость. Применение разработанных имитационной модели и средства анализа надежности на этапе проектирования позволяет своевременно оценить качество синтезируемой отказоустойчивой восстанавливаемой системы с точки зрения надежности и выбрать наилучшее архитектурное решение, что имеет большую практическую значимость. 

1. Edmonds, D.L. An introduction to space radiation effects on microelectronics [Текст] / D.L. Edmonds, C.E. Barnes, L.Z. Scheick // Pasadena, USA: NASA, Jet propulsion laboratory, California institute of technology, 2000.

2. Amusan, O.A. Single event upsets in deepsubmicrometer technologies due to charge sharing [Текст] / O.A. Amusan et al. // IEEE Transactions on Device and Materials Reliability. – 2008. – Vol. 8. – No. 3. – P. 582–589.

3. Жаднов, В.В. Прогнозирование показателей надежности бортовой аппаратуры космических аппаратов при воздействии ионизирующих излучений низкой интенсивности [Текст] / В.В. Жаднов, М.А. Артюхова // Надежность. – 2015. – № 1 (52). – С. 13–18.

4. Бочков, К.А. Механизмы и вероятности функциональных сбоев микроэлектронной элементной базы под действием импульсных электромагнитных помех [Текст] / К.А. Бочков, Д.В. Комнатный // Надежность. – 2015. – № 3 (54). – С. 65–72.

5. Rollins, N. Evaluating TMR Techniques in the Presence of Single Event Upsets [Текст] / N. Rollins et al. // Washington DC (USA). – 2003. – P. 1–5.

6. Егоров, И.В. Анализ проблемы повышения радиационной стойкости информационно-управляющих систем на этапе функционально-логического проектирования [Текст] / И.В. Егоров, В.Ф. Мелехин // Информационно-управляющие системы. – 2016. – № 1(80). – С. 26–31.

7. Егоров, И.В. Анализ процессов в конечном автомате при воздействии радиации. Оценка вероятности искажения информации [Текст] / И.В. Егоров, В.Ф. Мелехин // Информационно-управляющие системы. – 2016. – № 3 (82). – С. 24–33.

8. Егоров, И.В. Анализ показателей надежности и сложности реализации различных вариантов структур автомата с памятью при потоке мягких отказов [Текст] / И.В. Егоров, В.Ф. Мелехин // Информационноуправляющие системы. – 2017. – № 3(88). – С. 34–46.

9. Максименко, С.Л. Методология проектирования восстанавливаемых встраиваемых вычислительных систем [Текст] / С.Л. Максименко и др. // Университетский научный журнал. – 2014. – № 8. – С. 144–153.

10. Максименко, С.Л. Анализ проблемы построения радиационно-стойких информационно-управляющих систем [Текст] / С.Л. Максименко, В.Ф. Мелехин, А.С. Филиппов // Информационно-управляющие системы. – 2012. – № 2 (57). – С. 18–25.

11. Егоров, И.В. Методы и средства анализа надежности структурных блоков с резервированием и периодическим восстановлением информации на различных этапах проектирования вычислительных систем [Текст] / И.В. Егоров, В.Ф. Мелехин // Информационно-Управляющие Системы. – 2016. – № 2 (81). – С. 26–34.

12. Максименко, С.Л. Анализ надежности функциональных узлов цифровых СБИС со структурным резервированием и периодическим восстановлением работоспособного состояния [Текст] / С.Л. Максименко, В.Ф. Мелехин // Информационно-Управляющие Системы. – 2013. – № 2 (63). – С. 18–23.

13. Глухих, М.И. Расчет показателей надежности по модели структуры вычислительной системы [Текст] / М.И. Глухих // Вычислительные, измерительные и управляющие системы: сборник научных трудов / под ред. Ю.Б. Сениченкова. – СПбГПУ, СПб. – С. 57–64.

14. Черкесов, Г.Н. Надёжность аппаратно-программных комплексов [Текст]: Учебное пособие / Г.Н. Черкесов. – СПб: Питер, 2005. – 479 с.

15. Перегуда, А.И. Математическая модель надежности комплекса “объект защиты – система безопасности” при нечеткой исходной информации [Текст] / А.И. Перегуда // Надежность. – 2014. – № 1 (48). – С. 99–113.

16. Черкесов, Г.Н. Логико-вероятностные методы расчета надежности структурно-сложных систем [Текст] / Г.Н. Черкесов, А.С. Можаев // Качество и надежность изделий. – 1991. – № 3 (15). – С. 3–65.

17. Хахулин, Г.Ф. Имитационная модель надежностной структуры летательных аппаратов военного назначения и ее использование в задачах исследования процессов их послепродажного обслуживания [Текст] / Г.Ф. Хахулин, Ю.П. Титов // Надежность. – 2014. – № 3 (50). – С. 3–15.

18. Digitek Labs. Reliability Analysis [Electronic resource]. URL: http://www.digiteklabs.ru/en/research/relanalyzer (accessed: 17.03.2018).