19.08.2010 г.

  На главную раздела "Смагин Владимир Александрович"


Светлой памяти моего учителя
профессора Анатолия Михайловича
Половко
 
 
Нанотехнологии - основа создания новых

высоконадёжных элементов

 

В.А.СМАГИН, доктор технических наук, профессор

Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского

ул. Красного Курсанта 16, 197082 Санкт-Петербург, Россия

E-mail: va_smagin@mail.ru

     Рассматривается один из возможных способов повышения надёжности электронных элементов в будущем. В его основе предполагается использовать объёмное резервирование. Практически реализовать построение подобных электронных элементов возможно на основе нанотехнологий.

Ключевые слова: элемент, надёжность, объёмное резервирование,
самовосстановление, структура, нанотехнологии
 

     Введение. Будучи адъюнктом профессора А.М. Половко в ЛВВИКА им. А.Ф. Можайского в 1965 г я занимался вопросами структурного резервирования систем управления космических аппаратов. Изучив методы оценивания показателей надёжности различных схем резервирования и в частности мостиковую схему К.Э. Шеннона не на контактных, а на других видах элементов (резисторах, конденсаторах, индуктивностях) [1], пришёл к выводу, что диагональный элемент в идеальной сбалансированной мостиковой схеме не может быть электрически нагружен. Он принимает на себя какую-то нагрузку лишь в случае нарушения баланса в ней. Таким образом, этот элемент находится в режиме ненагруженного скользящего (маневренного) резервирования. При этом параметр моста (величина сопротивления, ёмкости, индуктивности) изменяется в определенном направлении. Если составляющие элементы моста обладают двумя видами отказов (например, обрыв и замыкание), то величина параметра моста может изменяться в обе стороны – уменьшаться или увеличиваться. Это справедливо и для случая параметрических, постепенных отказов элементов моста. Учитывая изменение электрической нагрузки в элементах моста по мере отказов и требуемое допусковое значение на величину параметра моста, можно рассчитать вероятность сохранения параметра моста в пределах поля допуска в зависимости от времени. Принципиально этот расчёт не труден, но с увеличением числа состояний и при условии изменения нагрузочного фактора составляющих элементов становится достаточно утомительным. Наибольший эффект по показателям надёжности достигается в случае, когда вероятности противоположных отказов элементов одинаковы, а параметр элемента не критичен к направлению напряжения или тока. Расчёт проще всего произвести в предположении экспоненциального закона распределения времени жизни элемента до отказа. Мостиковое соединение не относится к последовательно-параллельному и параллельно-последовательному, которые ранее были хорошо изучены при расчётах надёжности. Однако оно является соединением на плоскости, не имеет точек пересечения при его рассмотрении на ней.

     В контактном представлении, рассмотренным К.Э. Шенноном, для расчёта вероятности замыкания или размыкания моста им был предложен алгоритм (теорема) разложения относительно диагонального элемента, который может находиться в двух состояниях, а именно, замкнут или разомкнут. К сожалению, применение данного алгоритма (теоремы) к мостиковой схеме с нагруженными энергетически элементами затруднительно и нам не удалось его обобщить. Поэтому для оценивания вероятности работоспособности моста применялся либо аппарат дифференциальных уравнений или схема последовательных гипотез.

     Объёмное резервирование. Изучив мостиковую схему с нагруженными энергетически элементами, мной профессору А.М. Половко для рассмотрения была предложена схема не плоскостного, а объёмного резервирования. В качестве примера был предложен куб, составленный из однотипных элементов, обладающих одинаковыми параметрами. Два противоположных узла куба рассматривались как вход и выход. Куб имеет 6 плоских граней в виде квадратов. В каждую грань-квадрат включён пятый, диагональный элемент, как в мостиковой схеме К.Э. Шеннона. Таким образом, данная объёмная структура содержит всего 18 элементов: 12 элементов в рёбрах куба и 6 элементов в диагоналях граней. Если куб электрически сбалансирован, то 6 диагональных элементов не нагружены. Они представляют собой скользящий (маневренный) резерв соединения.
  
     Если принять во внимание понятие кратности, используемое в структурном резервировании, то можно утверждать, что мостиковая схема имеет дробную кратность 1/4. Однако, если понятие кратности распространить на нагрузочную составляющую элементов, например по величине протекающих по ним токов, то можно говорить о нагрузочной кратности резервирования. Она уже не будет равняться отношению целых чисел. Например, если мостиковая схема построена на резисторах, то величина тока, протекающего через любой резистор, кроме диагонального, при отсутствии отказа в схеме, будет равна: где U величина напряжения на клеммах схемы, авеличина сопротивления элемента. При отказе одного любого элемента схемы, кроме диагонального, который сначала отказать не может, величина тока включенного диагонального элемента будет равна:. Поэтому целесообразно кратность параметрического, нагрузочного резервирования представить как отношение . В данном случае она будет равна 1/3. Зачем нужно вводить и учитывать     нагрузочную кратность резервирования? Это нужно для того, чтобы при расчёте показателей надёжности структур, в которых наблюдаются отказы элементов, учитывать нагрузочные способности элементов и зависящие от них величины их показателей надёжности.

     В рассматриваемой нами кубической схеме начальная структурная кратность резервирования будет равна 6/12. Напомним, что численные отношения при дробной кратности принято не сокращать. При отказе определённых элементов кубической схемы токи в основных и включаемых резервных элементах будут изменяться. Значит, будут изменяться и их нагрузочные кратности по току и, следовательно, будут изменяться и значения показателей их надёжности. Можно было бы рассмотреть пример куба, построенного на резисторах. Но мы этого делать не будем.

     Если элементы куба будут обладать двумя видами отказов, например, обрыв и замыкание, или уменьшение и увеличение параметра элемента (полупроводники, индуктивности, ёмкости), то величина общего параметра куба будет также изменяться в обе стороны. Причем это изменение будет происходить во времени. В простейшем случае куба, построенного на резисторах, начальная величина сопротивления куба будет равна величине сопротивления одного резистора. Так как резистор, по условию, обладает одним видом отказа – обрывом, то во времени величина сопротивления куба может только возрастать. Она будет изменяться от до 3 . Можно указать границы допустимого изменения величины сопротивления куба и при найденных распределениях времени до отказа резисторов с учётом нагрузочной кратности определить вероятность сохранения работоспособности куба в течение заданного времени.

     При наличии двух видов отказов элементов куба, что практически довольно часто наблюдается в электронике, величина определяющего параметра куба уже не будет изменяться во времени монотонно, буде наблюдаться как уменьшение, так и увеличение его определяющего параметра. Таким образом, параметр куба будет во времени подвержен колебательному изменению. Можно так же, как и в предыдущем случае, выделить область допустимых изменений определяющего параметра, найти вероятность сохранения работоспособности куба во времени. Однако, для куба и более сложных структур объёмного характера, вычислительную работу по оценке работоспособности (надёжности) пока проводить не является главной задачей. Для этой цели инженеру, по образному выражению У. Эшби [2], «надо решить задачу упрощения» подобных структур.

Главная задача состоит в том, чтобы найти, выделить наиболее предпочтительные объёмные структуры, содержащие достаточное количество встроенных резервных, в начале эксплуатации ненагруженных элементов. Подобные структуры при достаточно высокой их сложности способны в течение весьма длительного времени сохранять свою работоспособность за счёт самовосстановления величины их определяющего параметра. Поэтому, на наш взгляд, они должны представлять интерес для практики построения систем длительного функционирования. Заметим, что с увеличением сложности объёмных структур увеличивается значение дробной кратности резервирования. Вместе с этим увеличивается и качество работы структур. Таким образом, для создания высоконадёжных элементов нужна их структурная сложность. (Кстати, по словам одного из зарубежных учёных «самовосстановление следует рассматривать как предел автоматической коррекции ошибок». И эту коррекцию ошибок-отказов, на наш взгляд, можно реализовать в структурах объёмного характера).

     Следуя знаменитой статье Дж. Фон Неймана [3], можно пойти дальше, а именно каждый элемент кубической структуры заменить новой встроенной кубической структурой с резервными элементами. Это в значительной степени позволит повысить её долговечность. Какой должна быть электронная база – электронный мир наших будущих систем управления для выполнения межпланетных космических программ? На этот вопрос ответят в ближайшее время развитие наук и технологий. Правдоподобно полагать, что объёмное, пространственное резервирование с «самовосстановлением» работоспособности электронных компонентов систем займёт должное место в данной области управления.

     Нанотехнологии – основа для создания объёмных высоконадёжных элементов электроники. Простейшие вычислительные приёмы, применённые для простых структур с резервными элементами (метод дифференциальных уравнений для постоянных интенсивностей отказов элементов, метод простого перебора гипотез) показали достаточно высокую результативность рассматриваемой гипотезы. Однако, более сложные структуры «типа куба» численными методами исследовать не удалось. Для простых структур установлено, что с увеличением сложности структуры увеличивается число различных состояний, но с увеличением их числа несколько снижается вероятность нахождения в любом конкретном состоянии. Повышение вероятности сохранения работоспособности структуры во времени достигается расширением количества состояний, включаемых в диапазон допустимых состояний. При двух видах отказов элементов этому благоприятствует возвратное блуждание в структуре по значению величины её определяющего параметра.

   Современные технологии не позволяют строить малогабаритные достаточно сложные объёмные электронные элементы длительной работоспособности. Здесь можно только рассчитывать на успехи нанотехнологий в будущем, когда удастся строить элементы, структуры которых подобны кристаллическим решёткам, с применением новых информационных технологий и высокоточных приборов. Высокая сложность элементов, состоящих из множества компонент, наличие в них «скрытого резерва», способного к самовосстановлению структур элементов в определённых пределах, мельчайшие размеры самих элементов – вот перспектива повышения долговременности существования сложных систем. И цели этой перспективы могут быть достигнуты благодаря развитию и внедрению нанотехнологий.

Литература

1.    Половко А.М. Основы теории надёжности. – М: Наука. – 1964. – 446 с.
2.    Эшби У. Несколько замечаний. – В кн. Общая теория систем. – Пер. с англ. – Мир. – 1966. – 188 c.
3.    Нейман Дж. Вероятностная логика и синтез надёжных органов из ненадёжных компонент. – В сб. Автоматы. – Изд. ИЛ. – 1956.

Автор, Смагин Владимир Александрович, доктор технических наук, ЗДНРФ, профессор Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского, тел. (812) 235-27-78.

Адрес: 197110, г. Санкт-Петербург, ул. Красного Курсанта, д. 30, кв. 11, e-mail: va_smagin@mail.ru , sbrou17@yahoo.com.

 

NANOTECHNOLOGIES - the BASIS of CREATION of NEW HIGHLY RELIABLE ELEMENTS

 The abstract

     Smagin V.A. One of possible ways of increase of reliability of electronic elements in the future is considered. In his basis it is supposed to use volumetric reservation. Practically to realize construction of similar electronic elements probably on a basis nanotechnologies.

 Bibl. 3 nam.

 

 
 
 

Комментарии 

 
0 #1 Дмиерий 07.09.2010 08:39
Желательно к статье приложить рисунок
объмного элемента.
С уважением Дмитрий В.
Цитировать
 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить