軟件可靠性設計研究及應用

無論您的終端應用是什么，可靠性都將是設計的主要考慮因素之一。實現可靠性的方法多種多樣。

在考慮設計可靠性時，大部分工程師都將注意力集中在一個綜合性度量標準：平均故障間隔時間。事實上，平均故障間隔時間(MTBF)是評估設計可靠性重要參數之一。但是另一個參數“成功概率”，也同樣重要。因此為了最終推出可靠的設計方案，設計人員應該充分考慮其它因素并確保進行準確的可靠性分析。

無論您設計哪種產品，可靠性都是必不可少的，盡管原因不盡相同，但都取決于終端應用。航空航天與軍事設計人員必須確保操作員/乘客的安全，確保成功完成任務。在電信領域，實現可靠性的目的則是防止出現服務中斷的情況，因為這樣會影響收入流與聲譽。工業和流程控制工程師的任務就是盡可能縮短停機時間，在故障發生時，能夠確保安全、無故障運行。對于商業應用，設計人員必須確保其產品在規定的質保期內不會出現任何問題。

使用FPGA可以研發出集成度更高的解決方案，從而可以延長系統的平均故障間隔時間。當器件制造商定期提供季度可靠性報告時，這一點更為明顯，賽靈思就是如此做的，其出版的季度可靠性報告名為《UG116》。

從最高層次來說，可從兩個角度來考慮可靠性。第一，系統在規定使用壽命內順利運行的可信度。這一點可以采用MTBF、成功概率以及熟悉的浴盆曲線。第二，發生錯誤事件時，如何確保您的設計可以繼續工作并保持無故障運行，或者針對尚未解決的問題出具報告。我們工程師開展設計與分析的方法可以影響到可靠性的上述兩個方面。

為了確保解決方案的可靠性，您的開發環境必須建立正確的工程設計治理制度，設置審查關口、設計規則與指南，同時在生命周期內，應該安排同行在適當的點進行獨立審核。

MTBF與浴盆曲線

MTBF的定義是從統計學角度預測系統運行過程中的故障間隔時間。制造商取各個組件的故障率倒數計算MTBF。我們一般將這些故障率稱為FIT率，其中，故障時間（FIT)為1e-9小時-1。您既可向組件供應商索取故障率，亦可根據軍用手冊MIL-HDBK-217F或Bell-core/Telcordia SR332標準計算。MTBF與FIT率之間的關系如下所示：

但是，上述故障率僅對浴盆曲線中的恒定故障率周期有效，如圖1所示。

浴盆曲線描繪的是產品引入時的早期（“早期故障期”）故障、正常使用壽命內發生的故障（“恒定故障率”）以及產品設計壽命結束時的故障。因此，生產過程中，通常會進行某種形式的“老化試驗”，排除早期故障期故障。老化試驗過程中，在各種溫度作用下，器件潛在缺陷會加快發生，這樣便可以確保器件在交付、裝入系統之前失效。

您可以通過韋伯分布、或壽命數據與分析來確定您的產品或系統在浴盆內的位置，利用Excel很容易完成。形狀參數β表明故障率是穩定、增加還是減少。若形狀參數(β)小于1.0，則表明早期故障期內，故障率在下降，若形狀參數大于1.0，則表明故障率在上升，而此現象會在磨損階段出現。

為了確保成功概率合格，許多產品都要求MTBF必須遠遠高于預期使用壽命。

確定您在浴盆曲線中的位置后，如果您認為系統至少在MTBF期間可以繼續無故障運行，那也是情有可原的。然而情況并非如此。MTBF是從統計學角度描述產品在使用壽命內可能出現的故障率；并非指產品的預期使用壽命。如果想要獲得產品的預期使用壽命，我們需要考慮通過以下公式所求得的成功概率，其中t表示預期工作時間（單位：小時）。

將成功概率繪制成圖之后，可以看到，當預期工作時間接近MTBF時，成功概率為0.37左右，如圖2所示。這意味著成功概率這一單個模塊在MTBF達到0.37所消耗的時間之后，仍然有效。如果考慮到一批器件，則其中的37%仍然正常工作。

因此，為了確保工作壽命內成功概率合格，許多系統/產品都要求MTBF必須遠遠高于預期使用壽命。例如，假設使用壽命為五年，成功概率為0.99，則產品所要求的MTBF必須達到4,361,048小時或497年，如以下公式所示。

顯而易見，這遠遠超過了使用壽命。