Обеспечение надежности технических средств путем их троирования и расчетверения

Резервирование, в частности, структурное является одним из основных способов повышения надёжности, обеспечивает отказо- и сбоеустойчивость элементов, устройств и систем. Согласно МПК – международной патентной классификации, класс устройств и способов G06F11/18 – «using passive fault-masking of the redundant circuits, e.g. by quadding or by majority decision circuits». У нас это трактуется как «повышение надёжности за счёт использования пассивного маскирования сбоев, например, с помощью расчетверения (quadding) или мажоритарных решающих схем». При этом, очевидно, что«fault-masking» – это маскирование не только сбоев, но и отказов. Мажоритарные решающие схемы или просто мажоритары в минимальном варианте реализуют выбор «2 из 3-х». Принятый термин «расчетверение» на взгляд автора не слишком благозвучный, ибо он может вызвать ассоциацию с четвертованием, но ничего не поделаешь. Такая избыточность согласно выше приведённой формулировки вроде как не требует специальной решающей схемы. Однако, это выполняется не всегда. В случае выдачи результирующего сигнала после учетверённой логики, например, на исполнительный орган, всё равно нужна схема выбора «3 из 4-х». Другой вариант повышения надёжности фиксирует класс G06F 11/20 – «using active fault-masking, e.g. by switching out faulty elements or by switching in spare elements». У нас он переводится как «с использованием маскирования сбоев с помощью замещения, например, выключения сбойных элементов или переключения на резервные элементы». Здесь пропущено слово «активного», таким образом имеем активную и пассивную отказоустойчивость. В статье исследуется пассивная отказоустойчивость, использующая троирование и расчетверение и сравниваются соответствующие вероятности безотказной (бессбойной) работы. При этом используется распределение Вейбулла, которое наиболее адекватно описывает надёжность в смысле радиационной стойкости в условиях воздействия тяжёлых заряженных частиц. Показывается, что в ряде случаев расчетверение имеет меньшую избыточность, чем троирование. Предлагается формула, описывающая условия предпочтительности расчетверения на транзисторном уровне.

1. ГОСТ 27.002–2015. Надежность в технике Основные понятия. Термины и определения [Текст]. – Введ. 2017–03–01. – М.: Старнартинформ, 2016. – 23 с.

2. Shankarnarayanan Ramaswamy, Leonard Rockett, Dinu Patel and others. ARadiation Hardened Reconfigurable FPGA [Электронный ресурс]. – URL: https://pdfs.semanticscholar.org/57f8/ff540360eadceafc062797b7a01065f6f9cc.pdf (дата обращения 30.03.2018).

3. Борисов Ю.И. О выборе архитектуры отказоустойчивых вычислительных комплексов для космических аппаратов [Текст] / Ю.И. Борисов // Надежность. – 2004. – № 2(21). – С.46-51.

4. Шебе Х. Предельная надёжность структурного резервирования [Текст] / Х. Шебе, И.Б. Шубинский // Надежность. – 2016. – № 1(56). – С.3-8.

5. Carl Carmichael. Triple Module Redundancy Design Techniques for Virtex FPGAs [Электронный ресурс].URL: https://www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp197.pdf (дата обращения 30.03.2018)

6. Шубинский И.Б. Надежные отказоустойчивые информационные системы. Методы синтеза [Текст]: методы синтеза / И.Б. Шубинский. – М.: Журнал «Надежность», 2016. – 544 с.: ил., табл.; 23 см.; ISBN 9785-7572-0399-7 : 500 экз.

7. Васильев Н.П. Аналитическая оценка вероятности успешной адаптации к отказам модульных вычислительных систем с многоуровневой активной защитой [Текст] / Н.П. Васильев, И.Б. Шубинский // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – 1994. – Т. 37. – № 3-4. – С. 47.

8. Тарасов А.А. Минимизация времени функциональной реконфигурации распределенной отказоустойчивой системы [Текст] / А.А. Тарасов // Надежность. – 2010. – № 2(37). – С.24-29.

9. Тюрин С.Ф. Скользящее резервирование толерантных элементов [Текст] / С.Ф. Тюрин // Надежность. – 2017. – Т. 17. – № 1(60). – С.17-21.

10. Weibull W. A statistical distribution function of wide applicability [Text] / W. Weibull // Journal of Applied Mechanics, Transactions of ASME. – 1951. – Vol. 18. – Pp 293–297.

11. Carver A. Mead. Introduction to VLSI Systems / Carver A. Mead, Lynn Conway [Электронный ресурс]. – URL: https://www.researchgate.net/publication/234388249_Introduction_to_VLSI_systems (дата обращения 30.03.2018).