К.т.н. Чешун В.М.

Хмельницький національний університет, Україна

Деякі проблеми локалізації несправностей динамічного типу цифрових обчислювальних пристроїв

Високоякісний контроль цифрових обчислювальних пристроїв (ЦОП) на етапах проектування та виробництва значно зменшує імовірність виникнення в процесі їх експлуатації статичних несправностей, які зумовлені наявністю невиявлених раніше дефектів. Більшість дефектів на етапі експлуатації ЦОП зумовлюється впливом зовнішніх факторів, тобто коливаннями температури зовнішнього середовища, вологістю, механічними і електромагнітними впливами, перепадами напруги живлення та іншими факторами. Для запобігання виникненню таких дефектів при виробництві ЦОП використовуються різні методи забезпечення захисту від впливу зовнішніх факторів, серед яких встановлення в обчислювальних пристроях системи охолодження покриття поверхні друкованої плати захисним шаром лаку, встановлення фільтрів на шини живлення та використання стабілізуючих блоків живлення. Загалом використовується цілий комплекс заходів з метою захисту ЦОП від впливу зовнішніх факторів, який є досить ефективним для запобігання виникненню несправностей статичного типу в процесі експлуатації. З цього можна зробити висновок про значне зниження кількості несправностей статичного типу, зумовлене постійним вдосконаленням технологій виробництва сучасних ЦОП.

Відмінність стану з несправностями динамічного типу пояснюється в першу чергу відмінністю природи їх виникнення. Причиною виникнення динамічних несправностей є проходження в цифрових компонентах та міжкомпонентних зв’язках перехідних процесів при зміні логічних значень сигналів. Оскільки зміна логічного рівня сигналу відбувається не миттєво, в певні моменти часу на входах компонентів ЦОП виникають проміжні значення рівнів сигналів, які, за умови їх неузгодженості, можуть призводити до хибного спрацьовування логічних елементів та виникнення “гонок” сигналів.

Особливістю перехідних процесів, які відбуваються в цифрових структурах і призводять до виникнення динамічних несправностей, є те, що вони можуть відрізнятися в кожній реалізації ЦОП. Фактично, для кожного конкретного елемента характерні свої значення затримок сигналів, які можуть бути різними навіть для двох аналогічних компонентів одної серії. Причиною наявності відмінностей в часових характеристиках однакових компонентів може слугувати наявність неоднорідностей в структурі кристалу та складність забезпечення абсолютно однакової реалізації всіх вентилів інтегральних схем, можлива кількість яких для сучасних НВІС перевищує значення 10⁶. Окрім інтегрального виконання цифрових компонентів характер можливих несправностей динамічного типу ЦОП значною мірою залежить також від особливостей топології міжкомпонентних зв’язків. Це пояснюється виникненням паразитних ємностей та індуктивних зв’язків між провідниками на друкованій платі, які також впливають на затримку проходження сигналів.

Постійне збільшення робочих частот ЦОП, характерне для сучасного етапу розвитку засобів обчислювальної техніки, призводить до збільшення кількості несправностей динамічного типу. Це зумовлює підвищену актуальність задачі їх локалізації та попередження.

Певною мірою запобігти виникненню несправностей динамічного типу можна за рахунок використання наявних засобів моделювання на етапі проектування. Недоліком такого підходу є те, що він базується на урахуванні номінальних (взятих з технічної документації) значень затримок сигналів при зміні їх логічних значень. Це дозволяє визначити помилки проектування в розрахунках часових співвідношень сигналів, але не гарантує повного усунення несправностей динамічного типу, оскільки реальні значення затримок сигналів можуть відрізнятися від розрахункових не виходячи за межі припустимих.

Точно спрогнозувати характер відхилень значень затримок сигналів від номінальних практично неможливо, тому більшість несправностей динамічного типу можна виявити лише експериментально в процесі діагностування.

При виробництві сучасних ЦОП використовуються різні методи запобігання виникненню несправностей динамічного типу, одним з прикладів яких може бути введення додаткових екранізуючих прошарків між провідниками на багатошарових друкованих платах. Вони дозволяють частково вирішити задачу зменшення впливу паразитних зв’язків між провідниками на сигнали, але спроби підвищення робочої частоти призводять до нового загострення цієї проблеми. Для зменшення впливу перехідних процесів при зміні логічних значень сигналів в сучасних ЦОП було зменшено різницю напруги логічних рівнів, але такий підхід не може розглядатися як перспективний для подальшого використання, оскільки веде до зменшення перешкодостійкості зазначених сигналів.

В процесі експлуатації несправності динамічного типу виникають як через наявність дефектів, невиявлених на попередніх етапах життєвого циклу ЦОП, так і в наслідок зміни параметрів його складових частин (наприклад, через старіння кристалів компонентів або з інших причин). Вплив несправностей, як правило, не призводить до відмови ЦОП, а зумовлює збої в його роботі та неправильне функціонування, що, як відомо, в багатьох випадках завдає значно більше збитків.

Проведене дослідження особливостей сучасних ЦОП як об’єктів діагностування дозволяє дійти висновку про актуальність задачі ефективної несправностей динамічного типу локалізації, зумовлену підвищенням їх питомої ваги.

Використання існуючих методів та технічних засобів діагностування, розроблених в достатньо великій кількості для локалізації несправностей статичного типу, при пошуку динамічних несправностей в більшості випадків не дозволяє досягти бажаної ефективності.

Низька ефективність існуючих засобів діагностування при пошуку несправностей динамічного типу в сукупності з важливістю задачі ефективної їх локалізації роблять актуальним створення нових методів діагностування, що є перспективним напрямком для подальшого наукового пошуку.