Надежность параллельных вычислений

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПО

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра ВТиЗИ

Реферат

Надежность параллельных вычислений

Уфа

Содержание

Введение в дисциплину

Современная теория надежности занимается в основном вопросами надежности техники, за более чем 50-летнюю историю своего развития она накопила боль­шое количество полезных, проверенных на практике результатов. Казалось бы, это может служить залогом успешного и беспроблемного решения задачи обес­печения надежности АСОИУ. Однако это не так. В последние десятилетия про­блема повышения надежности не только не ослабела, но, напротив, значительно обострилась. Это связано с действием ряда объективных причин, обусловленных бурным техническим прогрессом в новой области техники — информатике и вы­числительной технике. Одна из причин — непрерывный рост сложности аппа­ратуры, который значительно опережает рост качества элементной базы, хотя последний, по абсолютным оценкам, тоже настолько велик, что производит боль­шое впечатление при сравнении с некоторыми другими областями техники.

Второй причиной можно считать значительное расширение диапазона условий эксплуатации техники. В зависимости от назначения она работает в условиях высокой или низкой температуры окружающей среды, при повышенном или по­ниженном давлении, высокой или низкой влажности, при больших механических нагрузках вибрационного и ударного типов, в условиях действия повышенной радиации, агрессивных сред, негативных биологических факторов.

1 Основные понятия теории надежности

Надежность

Надежность является фундаментальным понятием теории надежности, с помощью которого определяются другие понятия. Надежность есть свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих его способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Остановимся на некоторых особенностях этого понятия. Во-первых, как следует из определения, надежность есть внутреннее свойство объекта, заложенное в него при изготовлении и проявляющееся во время эксплуатации. Для количественной оценки надежности, как и любого другого свойства объекта, необходима та или иная мера, являющаяся ее характеристикой.

Надежность нельзя свести ни к одной ее характеристике. Вторая особенность надежности состоит в том, что она проявляется во времени. Если нет наблюдения за объектом во времени, то нельзя сделать никаких заключений о его надежности. Этим она существенно отличается от таких свойств объекта, как дефектность, точность и пр. Дефектность можно установить специальными измерениями в течение сравнительно небольшого времени, определяемого количеством измеряемых параметров и временем каждого измерения и составляющего несколько минут или часов. Для того чтобы составить представление о надежности, необходимы наблюдения за группой объектов в течение тысяч или десятков тысяч часов. Можно сказать также, что дефектность и точность отражают начальное значение качества объекта, а надежность отражает устойчивость начального качества во времени.

Третья особенность надежности заключается в том, что она по-разному проявляется при различных условиях эксплуатации и различных режимах применения объекта. При изменении режимов и условий эксплуатации изменяются и характеристики надежности. Нельзя оценить надежность объекта, не уточнив условия его эксплуатации и режимов применения.

При определении понятия «надежность» для обозначения обладателя этого свойства и предмета анализа используется понятие «объект». В технической литературе по надежности для этих же целей часто используют также понятие  изделие. Однако эти понятия не являются синонимами и поэтому требуют пояснения.

Объект (технический объект) — это предмет определенного целевого назначения,  рассматриваемый на этапах выработки требований, проектирования, производства и эксплуатации. Объектами, в частности, могут быть технические комплексы, программные комплексы, установки, устройства, машины, аппараты, приборы, агрегаты, отдельные детали и пр.

Изделие — это промышленная продукция. В Единой системе конструкторской документации изделием называют любой предмет или набор предметов, подлежащих изготовлению на производстве. К техническим объектам относятся не любые промышленные изделия, а только такие, каждый экземпляр которых в процессе эксплуатации (применения по назначению) не подвергается постепенному расходованию. У данных изделий с течением времени расходуется только технический ресурс. С этой точки зрения не является объектом банка смазочного материала, хотя, несомненно, она является изделием. Это не значит, что понятие «изделие» нельзя употреблять при анализе надежности. Далее под изделием будем понимать любую единицу промышленной продукции, количество которой может исчисляться в штуках или экземплярах. К объектам относятся также совокупности (комплексы, системы) изделий, совместно выполняющие определенные функции или задачи, даже если они не связаны между собой конструктивно (например, линии радиосвязи, системы энергетики и др.).

Работоспособность. Отказ. Неисправность. Восстановление

Одно из основных требований теории надежности — это необходимость установить принадлежность всех возможных состояний объекта к одному из двух противоположных классов: работоспособные и неработоспособные. Работоспособным называют такое состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и/или конструкторской (проектной) документации. Неработоспособным будет такое состояние, при котором значение хотя бы одного из параметров не соответствует требованиям документации. У большинства технических объектов не существует четкой границы между этими классами состояний. Однако в теории надежности промежуточные состояния не рассматриваются. Чтобы оценить надежность, надо сделать эту границу четкой в рамках рассматриваемой модели надежности. Это весьма непростая задача, и решается она путем обсуждения с участием компетентных лиц со стороны разработчика и заказчика (пользователя) объекта. Однако далеко не всегда задача разбиения всех состояний по принципу «всё или ничего» может быть успешно решена. Тогда вводятся несколько уровней работоспособности и понятия полной и частичной работоспособности. Для многофункциональных систем возможна ситуация, когда при выполнении каждой функции удается разделить все состояния на работоспособные и неработоспособные, но возможны состояния, при которых одни функции выполняются, а другие — нет.

Тогда уровни работоспособности выделяют по способности выполнять все функции, группу функций, определенные функции. Для оценки надежности таких объектов могут применяться векторные показатели. Если же это неудобно, применяют свертку векторного показателя в скалярный, трактующийся как показатель эффективности.

С переходом из работоспособного состояния в неработоспособное и обратно связаны особые события в процессе функционирования объекта, называемые, соответственно, отказом и восстановлением. Отказ — это событие, состоящее в нарушении работоспособного состояния объекта. Восстановление — это событие, заключающееся в переходе объекта из неработоспособного состояния в работоспособное в результате устранения отказа путем перестройки (реконфигурации) структуры, ремонта или замены отказавших частей. Этим же термином обозначают и процесс перевода объекта из неработоспособного состояния в работоспособное.

Всякий отказ связан с нарушениями требований документации. Но не всякое нарушение требований приводит к отказу. Оно приводит к событию, называемому неисправностью, к возникновению неисправного состояния. Поэтому можно различать неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности или их сочетания, вызывающие отказ.

Отказы можно классифицировать по различным признакам. По скорости изменения параметров до возникновения отказа различают внезапные и постепенные отказы. Внезапный отказ — это отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта. Постепенный отказ — это отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров объекта. Такое деление весьма условно, так как большинство параметров изменяется с конечной скоростью, поэтому четкой границы между этими классами не существует. К постепенным отказы относят в тех случаях, когда изменения параметров легко прослеживаются, позволяя своевременно предпринять меры по предупреждению перехода объекта в неработоспособное состояние. По характеру устранения различают устойчивый, самоустраняющийся и перемежающийся отказы. Устойчивый отказ всегда требует проведения мероприятий по восстановлению работоспособности объекта. Самоустраняющийся отказ, или сбой, устраняется в результате естественного возвращения объекта в работоспособное состояние без участия или при незначительном вмешательстве оператора, причем время устранения отказа мало или близко к нулю. Перемежающийся отказ — это многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера. Как правило, для его устранения требуется вмешательство оператора. По характеру проявления различают явные некрытые (латентные) отказы.

Явный отказ обнаруживается визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению. Скрытый отказ выявляется при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностирования.

Задержка в обнаружении скрытого отказа может привести к неправильному срабатыванию алгоритмов, некорректной обработке информации, выработке ошибочных управляющих воздействий и другим неблагоприятным последствиям.

При наличии нескольких уровней работоспособности различают полный и частичные отказы. Переход на уровень частичной работоспособности называют частичным отказом. Полная потеря работоспособности возникает при полном отказе.

В многофункциональной системе полный отказ при выполнении одной из функционально самостоятельных операций может означать только частичный отказ для системы в целом, если потеряна одна или часть функций, а остальные могут выполняться.

В некоторых устройствах и элементах возможны отказы двух типов. В резисторах, полупроводниковых диодах, транзисторах, реле и ряде других элементов могут возникать отказы типа обрыв и типа короткое замыкание. В первом случае падает до нуля проводимость, а во втором — сопротивление в любых или в определенном направлении. В устройствах, назначение которых состоит в формировании определенного сигнала в ответ на определенные сочетания сигналов на входах, например в логических элементах, дискретных датчиках, устройствах контроля и диагностирования, регуляторах, также возможны отказы двух типов: отсутствие сигнала, когда он должен быть сформирован, и появление сигнала, когда его не должно быть (ложный сигнал). По первопричине возникновения различают конструктивный, производственный и эксплуатационный отказы. Конструктивный отказ возникает по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и/или норм проектирования и конструирования. Производственный отказ связан с несовершенством или нарушением технологического процесса изготовления или ремонта (на ремонтном предприятии), а эксплуатационный отказ — с нарушением  правил и/или условий эксплуатации, при возникновении непредусмотренных внешних воздействий или воздействий высокой интенсивности.

Безотказность. Ремонтопригодность. Сохраняемость. Долговечность

Надежность как комплексное свойство включает в себя единичные свойства: безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость, долговечность. Нельзя сводить надежность ни к одному из этих свойств. Только их совокупность правильно раскрывает содержание понятия «надежность».