Оценивание работоспособности микросхем памяти при экспериментальных исследованиях

Оценивание технического ресурса космических аппаратов (КА) как элементов критически важных технических систем в процессе их эксплуатации является сложной задачей [4; 8; 9]. Расчет и моделирование в наземных условиях влияния на бортовую аппаратуру комплекса многочисленных факторов космического пространства (ионизирующих излучений, вакуума, перепадов температуры, электризации и др.) с достаточной точностью не представляется возможным из-за высокой сложности этого процесса. Поэтому разработ-

152 в ыпуск 1/2020

ка технических решений, обеспечивающих увеличение ресурса как бортовой аппаратуры в целом, так и ее компонентов в частности, связана с проведением натурных экспериментов [15]. Они позволяют эмпирическим путем интегрально оценить результаты одновременного воздействия на аппаратуру многообразных факторов космического пространства [10; 14]. В статье рассмотрен подход к реализации экспериментальных исследований микросхем памяти [6; 13], являющихся важнейшими элементами бортовых вычислительных систем КА, и представлен алгоритм оценивания их работоспособности [7].

Технология экспериментального исследования работоспособности элементной базы средств вычислительной техники при воздействии помех естественного и искусственного происхождения

Данная технология предназначена для регистрации степени деградации характеристик электронной компонентной базы (ЭКБ) в процессе воздействия на нее внешних факторов естественного и искусственного происхождения [12], определения ее стойкости и возможности применения по целевому назначению [1]. Посредством анализа значений параметров испытываемых микросхем, полученных в ходе исследований, определяется работоспособность ЭКБ в зависимости от уровня внешних воздействий [3], оцениваемых по информации от соответствующих датчиков (электромагнитного излучения, дозы радиации, температуры и др.) [5; 11].

Целями разработки и реализации рассматриваемой технологии являются:

• •    получение экспериментальных данных о влиянии воздействий внешних факторов естественного и искусственного происхождения на характеристики радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), созданной на основе перспективной ЭКБ;

• •    разработка рекомендаций по увеличению срока функционирования перспективной РЭА информационных систем различного целевого назначения в условиях внешних воздействий;

• •    уточнение моделей воздействия факторов естественного и искусственного происхождения на ЭКБ;

• •    уточнение методик проведения экспериментальной отработки РЭА информационных систем в условиях воздействия внешних факторов;

• •    разработка новых научно-технических и методических подходов для проведения и организации испытаний РЭА и ЭКБ [8].

Технология экспериментального исследования работоспособности элементной базы РЭА иллюстрируется схемой ее основных этапов (табл. 1).

Таблица 1

Этапы технологии экспериментального исследования работоспособности элементной базы средств вычислительной техники при воздействии помех естественного и искусственного происхождения

№ этапа	Исходные данные	Действия
Этап 1	Перечень перспективной или используемой ЭКБ, а также внешних воздействий (определяемых условиями функционирования)	Постановка исследований стойкости элементной базы РЭА к внешним воздействиям

Калюжный А.В., Кремез Г.В., Кошель И.Н. Оценивание работоспособности...    153

Окончание табл. 1

№ этапа	Исходные данные	Действия
Этап 2	Программа и методики испытаний, аппаратно-программный испытательный комплекс	Реализация испытаний выбранной ЭКБ
Этап 3	База экспериментальных данных, методики обработки результатов испытаний	Получение оценок стойкости испытанной элементной базы
Этап 4	Вероятностные и детерминированные оценки стойкости испытанной ЭКБ	Использование оценок стойкости ЭКБ для совершенствования РЭА (перечень сертифицированной ЭКБ, рациональных способов повышения стойкости, предложений по уточнению оценивания стойкости аппаратуры и др.)

Изложенная технология (см. табл. 1) определяет общий подход к оцениванию работоспособности элементной базы РЭА. Однако очевидно, что при практической реализации технология требует конкретизации по вопросам проведения экспериментальных исследований и разработки алгоритма оценивания работоспособности ЭКБ.

Общая методика проведения эксперимента с использованием комплекса научной аппаратуры «Призма-2» на космическом аппарате «Можаец-4»

Комплекс научной аппаратуры (КНА) «Призма-2» установлен на борту КА «Мо-жаец-4» для анализа функционирования испытываемой бортовой РЭА в условиях комплексного воздействия факторов космического пространства.

КНА «Призма-2» содержит размещенные на поверхности КА четыре блока испытываемых приборов с четырьмя микросхемами оперативной памяти 537РУ16, датчики температуры и накопленной дозы радиации, расположенные совместно с испытываемой микросхемой памяти в одном из блоков, а также расположенный в приборном отсеке КА блок сопряжения с бортовым комплексом управления, обеспечивающий тестирование испытываемых микросхем и передачу контролируемых параметров в систему телеметрии.

Микросхемы испытываются на долговечность и безотказность в соответствии с техническими характеристиками микросхемы оперативной памяти 537РУ16. По командам с Земли производится включение микросхем в режим испытания и включение бортовой аппаратуры в режим измерения.

Режим испытания реализуется посредством включения аппаратуры «Призма-2» подачей на комплекс экспериментального оборудования бортового питания.

В режиме измерения через систему телеметрии на Землю передаются следующие параметры:

• •    информация о работоспособности комплекса перед каждым включением (по результатам контроля) и количестве отказов испытываемых микросхем за период включения;

• •    напряжение на выходе вторичного источника питания аппаратуры «Призма-2»;

• •    накопленная доза ионизирующего излучения за время полета КА;

• •    температура в блоках с испытываемыми микросхемами.

Посредством анализа значений параметров микросхем, переданных с борта КА, определяется работоспособность испытываемых приборов в зависимости от уровня внешних воздействий, оцениваемых по информации от датчиков дозы и температуры. Частота измерения параметров испытываемых приборов определяется этапом их эксплуатации.

154 в ыпуск 1/2020

На этапах приработки (первые две недели после вывода КА на орбиту) и интенсивного ухудшения параметров микросхем вследствие влияния факторов космического пространства на бортовую аппаратуру КА режимы испытания и измерения целесообразно проводить ежесуточно, а на этапе медленной деградации параметров микросхем данные режимы могут быть реализованы один раз в две-четыре недели. Это следует из статистики отказов испытываемых микросхем и динамики деградации их параметров, полученных из проводимых ранее аналогичных экспериментов [2; 4].

Для оценивания влияния факторов космического пространства на ресурс бортовой РЭА разработан алгоритм.

Алгоритм оценивания работоспособности микросхем памяти при воздействии факторов космического пространства

Под техническим ресурсом испытываемых в космическом пространстве электронных приборов будем понимать продолжительность их функционирования от момента начала экспериментальных исследований (вывода КА на орбиту) до состояния, когда значения измеряемых параметров выйдут за допустимые пределы (т.е. до наступления отказа).

В соответствии с программой эксперимента и возможностями комплекса аппаратуры «Призма-2» оценивание влияния факторов космического пространства на ресурс бортовых электронных приборов предполагает реализацию алгоритма, включающего четыре последовательные части:

• •    оценивание поглощенной (накопленной) дозы ионизирующего излучения (шаги 2–6);

• •    формирование тестовых воздействий для микросхем памяти (шаги 7–9);

• •    оценивание количества сбоев и отказов испытываемых электронных приборов в зависимости от длительности функционирования на орбите и поглощенной (накопленной) дозы ионизирующего излучения (шаги 10–13);

• •    оценивание ресурса испытываемых электронных приборов (шаги 14–18).

Алгоритм оценивания работоспособности микросхем памяти при воздействии факторов космического пространства представлен в таблице 2.

Таблица 2

Алгоритм оценивания работоспособности микросхем памяти при воздействии факторов космического пространства

№ шага	Действия
Шаг 1	Начало
Шаг 2	В течение сеансов связи с КА по каналам системы телеметрии получаем значения порогового напряжения U пор от датчиков радиационного контроля ДРК1, ДРК2, привязанные к меткам времени, и значения температуры на борту КА
Шаг 3	Исключаем аномальные значения U пор , вызванные погрешностями при передаче сигналов с борта КА. К аномальным относятся значения, выходящие за диапазон 1–4,5 В
Шаг 4	Для каждого из полученных значений U пор по графикам зависимости порогового напряжения ДРК1 и ДРК2 от температуры комплекса рассчитываем U пор 0 (при начальной поглощенной дозе – перед проведением эксперимента)
Шаг 5	Для каждого из полученных значений определяем U пор – U пор 0 . В результате получаем значение сдвига порогового напряжения ∆ U пор

Калюжный А.В., Кремез Г.В., Кошель И.Н. Оценивание работоспособности...    155

Окончание табл. 2

№ шага	Действия
Шаг 6	Для каждого из полученных значений ∆ U пор по калибровочному графику определяем значение поглощенной дозы ионизирующего излучения D . По полученным значениям строим графики зависимостей поглощенной дозы от времени – D ( t ) для ДРК1 и ДРК 2
Шаг 7	Микропроцессор реализует стандартные тестовые программы проверки памяти: запись-считывание в ячейки памяти нулей, единиц, шахматного кода. Считанные коды сравниваются с эталонными значениями, при несовпадении подсчитывается количество ошибок, которое в дальнейшем через систему телеметрии передается потребителю
Шаг 8	В течение сеансов связи с КА по каналам системы телеметрии получаем значения бит контроля (слова состояния процессора) и количества отказов испытываемых микросхем за периоды включения аппаратуры, привязанные к меткам времени
Шаг 9	Исключаем аномальные значения, вызванные погрешностями при передаче сигналов с борта КА
Шаг 10	По полученным значениям строим графики зависимостей количества отказов испытываемых микросхем от времени Qi ( t ). На основе зависимостей Qi ( t ) и D ( t ) определяем зависимости изменения количества отказов испытываемых микросхем от накопленной дозы ионизирующих излучений Qi ( D )
Шаг 11	Учитываем граничные значения количества сбоев (перемежающихся отказов) Qi ' ( t ) испытываемых электронных приборов. При этом полагаем, что, в случае нарушения любого из граничных значений Qi ( t ) >  Qi ' ( t ), происходит постоянный отказ прибора
Шаг 12	В ходе экспериментальных исследований для каждого из испытываемых блоков электронных приборов (БЭП) определяем зависимости деградации параметров от времени функционирования в условиях космического пространства и поглощенной дозы ионизирующих излучений
Шаг 13	Фиксируем моменты нарушения граничных значений параметров каждого из БЭП. Определяем ресурс работы БЭП как длительность работоспособного состояния с момента вывода на орбиту до наступления постоянного отказа
Шаг 14	Определяем зависимость ресурса БЭП от поглощенной дозы ионизирующих излучений
Шаг 15	Определяем зависимость ресурса БЭП от степени защиты электронных приборов путем сопоставления параметров при функционировании БЭП, имеющих разную защиту
Шаг 16	Определяем зависимость ресурса БЭП от режима функционирования электронных приборов. Для этого производится анализ деградации параметров БЭП с учетом времени нахождения во включенном и отключенном состояниях
Шаг 17	Путем дифференцирования зависимостей изменения параметров БЭП определяем скорость уменьшения ресурса БЭП в зависимости от накопленной дозы и степени защиты электронных приборов
Шаг 18	На основе анализа зависимостей изменения параметров БЭП определяем математические соотношения для прогнозирования ресурса электронных приборов методами интерполяции и экстраполяции
Шаг 19	Конец

Разработанный алгоритм позволяет оценить влияние комплексного воздействия факторов космического пространства на ресурс испытываемых микросхем памяти, а также спрогнозировать его значение с учетом возможностей защиты и выбора режимов работы.

Обработка результатов космического эксперимента

Космические эксперименты, проведенные на КА серии «Можаец», показали пример успешного сбора статистических данных, необходимых для прогнозирования сбоев и отказов бортовой аппаратуры КА [2]. Рассмотрим применение предложенного алгоритма для обработки экспериментальных данных о функционировании микросхем памяти в условиях космического пространства.

Части алгоритма, связанные с оцениванием дозы ионизирующего излучения и формирования тестов для микросхем памяти, непосредственно зависят от калибровочных ха-

156 в ыпуск 1/2020

рактеристик датчиков воздействий и типов испытываемых приборов. Они конкретизируются разработчиками комплекса экспериментальной аппаратуры.

В качестве примера оценивания количества отказов испытываемых микросхем и их ресурса рассмотрим обработку экспериментальной зависимости [2] количества исправных ячеек в микросхеме памяти от времени пребывания КА на орбите (рис.).

Зависимость числа исправных ячеек микросхемы памяти от времени нахождения КА на орбите

График иллюстрирует изменение процентного отношения числа исправных ячеек к общему количеству ячеек микросхемы. Зависимость приведена для одной из четырех испытываемых микросхем комплекса аппаратуры «Призма-2», имеющей наименьшую защиту.

Для аппроксимации рассматриваемой зависимости были применены традиционно широко используемый метод наименьших квадратов (МНК) и полиномиальные функции различных степеней. При этом использовались прикладные программы Excel и Mathcad.

По критерию минимизации отклонения была выбрана следующая аппроксимирующая функция:

y ( t ) = - 1,9548 - 10 ^{- 11} 1 ² - 3,1108 - 10 ^{- 6} 1 + 1, (1) где y ( t ) – число исправных ячеек микросхемы памяти в момент времени t , представленное в отношении к ее общему количеству ячеек.

В условиях данного эксперимента в качестве параметра потока отказов принималась производная по времени от функциональной зависимости изменения количества исправных ячеек, в результате чего для временного интервала проведения эксперимента были получены плотность распределения отказов f ( t ) и интенсивность отказов λ ( t ). Эти зависимости имеют следующий вид:

f (t ) = e-1,56-ю-11 t (3,91.10-111 + 3,11.10—6), (2)

X ( t ) = 3,113 - 10 ^{- 6} + 3,847 - 10 ^{- 11} 1 + 1,675 - 10 ^{- 16} 1 ² . (3)

Таким образом, применение предложенного алгоритма позволило решить задачу обработки апостериорной информации о сбоях и отказах. Благодаря интерпретированным данным возможно математическое прогнозирование работоспособности микросхем памяти бортовой аппаратуры на временном интервале, существенно превышающем длительность экспериментальных исследований.

Калюжный А.В., Кремез Г.В., Кошель И.Н. Оценивание работоспособности... 157

Однако, как показывают расчеты, линейная аппроксимация с использованием МНК при большой длительности космического эксперимента приводит к высокой погрешности. Применение полиномиальной аппроксимации также ограничено. В частности, как следует из выражения (1), предельная длительность прогнозирования работоспособности микросхем не должна превышать 10 ⁵ часов. С учетом изложенного в перспективных экспериментах целесообразно использовать более точные методы регрессионного анализа.

Заключение

Предложенный алгоритм позволяет оценить и спрогнозировать работоспособность РЭА, функционирующей в условиях воздействия внешних факторов естественного и искусственного происхождения. В результате определяется рациональная кратность резервирования бортовой аппаратуры.

Достоинство алгоритма состоит в высокой точности получаемых оценок за счет сочетания расчетных и экспериментальных методов, в том числе и для элементной базы зарубежного производства. Кроме того, на основе унификации реализуется возможность испытания ЭКБ различной номенклатуры при совместном и одновременном воздействии различных внешних факторов. Применение рассмотренной технологии целесообразно в случаях, когда расчетные методы не могут быть применены в силу высокой неопределенности исходных данных и отсутствия строгого математического описания исследуемых процессов. Предложенная технология может использоваться самостоятельно и в качестве вспомогательного элемента для технологий более высокого иерархического уровня. Перспективность технологии связана с неуклонным ростом сложности элементной базы (десятки миллионов элементов в кристалле микросхемы) и требований к жесткости условий эксплуатации РЭА.