MTBF,即平均故障間隔時(shí)間，英文全稱是“Mean Time Between Failure”。是衡量一個(gè)產(chǎn)品(尤其是電器產(chǎn)品)的可靠性指標(biāo)。單位為“小時(shí)”。它反映了產(chǎn)品的時(shí)間質(zhì)量，是體現(xiàn)產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持功能的一種能力。具體來說，是指相鄰兩次故障之間的平均工作時(shí)間，也稱為平均故障間隔。概括地說，產(chǎn)品故障少的就是可靠性高，產(chǎn)品的故障總數(shù)與壽命單位總數(shù)之比叫“故障率”(Failure rate)。它僅適用于可維修產(chǎn)品。同時(shí)也規(guī)定產(chǎn)品在總的使用階段累計(jì)工作時(shí)間與故障次數(shù)的比值為MTBF。磁盤陣列產(chǎn)品一般MTBF不能低于50000小時(shí)。

MTBF的計(jì)算方法

　　失效時(shí)間是指上一次設(shè)備恢復(fù)正常狀態(tài)(圖中的up time)起，到設(shè)備此次失效那一刻(圖中的down time)之間間隔的時(shí)間。

　　MTBF值是產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重要參數(shù)，可靠度工程師或設(shè)計(jì)師經(jīng)常使用各種不同的方法與標(biāo)準(zhǔn)來估計(jì)產(chǎn)品的MTBF值。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括MIL-HDBK-217F、Telcordia SR332、Siemens Norm、Fides或UTE C 80-810(RDF2000)等。不過這些方法估計(jì)到的值和實(shí)際的平均故障間隔仍有相當(dāng)?shù)牟罹?。?jì)算平均故障間隔的目的是為了找出設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)。

　　MTBF的數(shù)學(xué)式表達(dá)

　　

 

　　另外，在工程學(xué)上，常用希臘字母θ來表示MTBF，既有：

　　

 

　　在概率論中，可用ƒ(t)形式的概率密度方程表示MTBF，既有：

　　

 

　　此處ƒ指的是直到下次失效經(jīng)過時(shí)長的概率密度方程——滿足標(biāo)準(zhǔn)概率密度方程——

　　

MTBF 是平均故障間隔時(shí)間

　　隨著服務(wù)器的廣泛應(yīng)用，對服務(wù)器的可靠性提出了更高的要求。所謂“可靠性”，就是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力;反之，產(chǎn)品或其一部分不能或?qū)⒉荒芡瓿梢?guī)定的功能是出故障。概括地說，產(chǎn)品故障少的就是可靠性高，產(chǎn)品的故障總數(shù)與壽命單位總數(shù)之比叫“故障率”(Failure rate)，常用λ表示。例如正在運(yùn)行中的100只硬盤，一年之內(nèi)出了2次故障，則每個(gè)硬盤的故障率為0.02次/年。當(dāng)產(chǎn)品的壽命服從指數(shù)分布時(shí)，其故障率的倒數(shù)就叫做平均故障間隔時(shí)間(Mean Time Between Failures)，簡稱MTBF。即：

　　MTBF=1/λ

　　筆者看到一款可用于服務(wù)器的WD Caviar RE2 7200 RPM 硬盤，MTBF 高達(dá) 120萬小時(shí)，保修 5年。120萬小時(shí)約為137年，并不是說該種硬盤每只均能工作137年不出故障。由MTBF=1/λ可知λ=1/MTBF=1/137年，即該硬盤的平均年故障率約為0.7%，一年內(nèi)，平均1000只硬盤有7只會(huì)出故障。

　　下圖所示為著名的浴盆曲線，左邊斜線部分為早期故障率，其故障率一般較高且隨著時(shí)間推移很快下降。曲線中部為使用壽命期，其故障率一般很低且基本固定。最右部為耗損期，失效率急速升高。電子產(chǎn)品制造商一般通過測試、老煉、篩選等手段將早期故障盡量剔除，然后提供給客戶使用。當(dāng)使用壽命期將盡，產(chǎn)品也即將進(jìn)入故障高發(fā)期，需要報(bào)廢或更新?lián)Q代了。

溫度與器件的壽命

　　

明白了MTBF和“浴盆”曲線的基本概念，我們對評估產(chǎn)品的使用壽命有了一定的掌握。在合適工作條件下器件使用壽命期內(nèi)的故障率很低。廣大電子愛好者都知道電子元器件的壽命，與工作溫度是有密切關(guān)系的。以電腦主板上常用的也常出故障的電解電容器為例，其壽命會(huì)受到溫度的影響。因此，應(yīng)盡可能使電容器在較低的溫度之下工作，如果電容器的實(shí)際工作溫度超過了其規(guī)格范圍，不僅其壽命會(huì)縮短，而且電容器會(huì)受到嚴(yán)重的損毀(例如電解液泄漏)。因此，在分析電腦主板上電容器的工作溫度時(shí)，不僅要考慮機(jī)箱內(nèi)整體環(huán)境溫度及電容器自身的發(fā)熱，還要考慮機(jī)箱內(nèi)其他發(fā)熱元件的熱輻射(特別是CPU、穩(wěn)壓器、電源供應(yīng)器等)。

　　根據(jù)測試，通常2.0G的CPU消耗功率達(dá)56.7W，生成溫度達(dá)70℃;而當(dāng)頻率提高至3.0G時(shí)， CPU溫度往往超過90℃。在這樣的高溫烘烤下，主板上的電容器壽命會(huì)發(fā)生什么變化?

　　為簡化起見，不考慮紋波、頻率、ESR等因素，電容器的估計(jì)壽命可用下述公式表示：

　　其中，L0表示最高工作溫度下的壽命，Tmax表示最高工作溫度，Ta表示實(shí)際環(huán)境溫度。由此可見，如果環(huán)境溫度每升高10℃，電容器壽命將下降一倍!

　　由上圖右面的曲線可明顯看出，隨著電容器工作環(huán)境溫度的上升，其有效壽命急劇縮短。其中有效壽命(Useful life)是指該種電容器達(dá)到給定故障率的時(shí)間。

MTBF與電腦的關(guān)系

　　溫度與電腦的可靠性

　　電源供應(yīng)器對電腦來說，重要性不言而喻。影響電源供應(yīng)器壽命的因素很多，如負(fù)載大小、振動(dòng)和周邊的環(huán)境溫度等。其中，環(huán)境溫度很重要，所以選擇合適的風(fēng)扇，排放出由電源供應(yīng)器內(nèi)部的熱量非常關(guān)鍵。電源供應(yīng)器的MTBF，在很大程度上是由其內(nèi)部的電解電容器MTBF值所決定的。因隨著溫度的上升，電容器的壽命急劇縮短，所以電源供應(yīng)器的工作溫度如能得到降低，其壽命就會(huì)更長一些。

　　當(dāng)評價(jià)電源供應(yīng)器所標(biāo)稱壽命時(shí)，電源供應(yīng)器是否運(yùn)行在額定的滿負(fù)載狀況是另一重要考慮因素。如果電源供應(yīng)器裝有合適的散熱器而散熱風(fēng)扇風(fēng)量足夠大，在低于滿負(fù)載的情況下連續(xù)工作，電源供應(yīng)器就能有更長的壽命。一般電腦電源供應(yīng)器壽命按照3-5年計(jì)算元件的可能失效周期，MTBF在80,000-100,000小時(shí)之間。

　　不同的電源供應(yīng)器廠家，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)、用料也往往差別很大，工作壽命自然不同。

　　除電源供應(yīng)器外，硬碟的溫度也不可小視。硬碟動(dòng)不動(dòng)就7200rpm-15000rpm，想想看硬碟內(nèi)的馬達(dá)每天轉(zhuǎn)24小時(shí)，平均工作溫度在四、五十度的高熱是免不了。筆者曾測量過一臺散熱不夠好的伺服器硬碟，溫度超過40℃。對硬碟來說，如果機(jī)殼內(nèi)部的溫度降低了，這將意味著減少主軸馬達(dá)液態(tài)軸承的軸承潤滑劑以及磁碟潤滑劑的蒸發(fā)，這將大大降低其損壞的機(jī)率。據(jù)Seagate公司公開的某型號硬碟數(shù)據(jù)，在34℃時(shí)的MTBF為150,000小時(shí)，但在25℃時(shí)，會(huì)達(dá)到230,000小時(shí)。

　　風(fēng)扇與散熱效果

　　為降低硬碟溫度，可增加散熱風(fēng)扇。市面上是有賣硬碟專用的散熱模組，有的則是一顆風(fēng)扇再加上一塊硬碟大小的鋁制散熱片，其實(shí)沒有必要這么復(fù)雜。

　　如采用小型風(fēng)鼓(BLOWER)，風(fēng)量增加，散熱效果更好。但是，增加風(fēng)扇或風(fēng)鼓一定要考慮振動(dòng)的問題。要知道風(fēng)扇較高的轉(zhuǎn)速才能達(dá)到一定的風(fēng)量，但如采用較劣質(zhì)的風(fēng)扇，轉(zhuǎn)速雖高，但壽命短且振動(dòng)厲害，對硬碟壽命會(huì)帶來不利影響，安裝硬碟時(shí)加吸震軟墊、機(jī)箱機(jī)殼底部的吸震片都有一定效用。

　　優(yōu)質(zhì)的電源供應(yīng)器當(dāng)然要搭配高品質(zhì)的風(fēng)扇，如HG2-6400P選用的是NMB鋼珠軸承風(fēng)扇，比傳統(tǒng)油封軸承風(fēng)扇壽命高出2倍。這款電源供應(yīng)器還加入了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制線路，可以根據(jù)電源內(nèi)部的溫度調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，在延長使用壽命的同時(shí)，也更好的控制了風(fēng)扇噪音和震動(dòng)。

　　灰塵對伺服器的影響

　　如何保養(yǎng)和維護(hù)好伺服器，最大限度的延長其使用壽命，是大家都非常關(guān)心的話題。灰塵對伺服器構(gòu)成的威脅不容忽視。按筆者的電子產(chǎn)品維修經(jīng)驗(yàn)，在灰塵比較大的環(huán)境中工作，由于PCB吸附灰塵，而灰塵的沉積會(huì)影響電子元器件的熱量散發(fā)，這將導(dǎo)致元件溫度上升，進(jìn)而出現(xiàn)熱穩(wěn)定性下降甚至產(chǎn)生漏電，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致燒毀。另外，灰塵也會(huì)吸收水分，腐蝕電子線路，造成一些莫名其妙的短路問題。所以灰塵體積雖小，但對伺服器的危害不可低估。

　　盡管伺服器機(jī)房有相對較好的環(huán)境，但灰塵仍會(huì)不斷累積。所以，有必要定期進(jìn)行清理，可使用上圖美國生產(chǎn)CRC牌防塵噴劑、也可用有防靜電(ESD)功能的小毛刷小心進(jìn)行清掃，或使用吹風(fēng)球清潔灰塵，減少出故障的機(jī)率。在清理機(jī)箱內(nèi)部的灰塵時(shí)，切記斷開電源，小心操作，特別是面板進(jìn)風(fēng)口和電源(排風(fēng)口)的附近，以及板卡的插接部位灰塵最多。清理電源里的灰塵最好將電源供應(yīng)器拆下，用防塵噴劑、吹氣球仔細(xì)清掃干凈后再裝回。

MTBF的計(jì)算

　　設(shè)有一個(gè)可修復(fù)的產(chǎn)品在使用過程中，共計(jì)發(fā)生過N0次故障，每次故障后經(jīng)過修復(fù)又和新的一樣繼續(xù)投入使用，其工作時(shí)間分別為：T0，T1。那么產(chǎn)品的平均故障間隔時(shí)間，也就是平均壽命為Q為：(T0+T1)/N0。

　　通常，我們在產(chǎn)品的手冊或包裝上能夠看到這個(gè)MTBF值，如8000小時(shí)，2萬小時(shí)，那么，MTBF的數(shù)值是怎樣算出來的呢，假設(shè)一臺電腦的MTBF 為3萬小時(shí)，是不是把這臺電腦連續(xù)運(yùn)行3萬小時(shí)檢測出來的呢?答案是否定的，如果是那樣的話，我們有那么多產(chǎn)品要用幾十年都檢測不完的。其實(shí)，關(guān)于 MTBF值的計(jì)算方法，目前最通用的權(quán)威性標(biāo)準(zhǔn)是MIL-HDBK-217、GJB/Z299B和Bellcore，分別用于軍工產(chǎn)品和民用產(chǎn)品。其中，MIL-HDBK-217是由美國國防部可靠性分析中心及Rome實(shí)驗(yàn)室提出并成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，專門用于軍工產(chǎn)品MTBF值計(jì)算，GJB/Z299B是我國軍用標(biāo)準(zhǔn);而Bellcore是由AT&TBell實(shí)驗(yàn)室提出并成為商用電子產(chǎn)品MTBF值計(jì)算的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　MTBF計(jì)算中主要考慮的是產(chǎn)品中每個(gè)器件的失效率。但由于器件在不同的環(huán)境、不同的使用條件下其失效率會(huì)有很大的區(qū)別，例如，同一產(chǎn)品在不同的環(huán)境下，如在實(shí)驗(yàn)室和海洋平臺上，其可靠性值肯定是不同的;又如一個(gè)額定電壓為16V的電容在實(shí)際電壓為25V和5V下的失效率肯定是不同的。所以，在計(jì)算可靠性指標(biāo)時(shí)，必須考慮上述多種因素。所有上述這些因素，幾乎無法通過人工進(jìn)行計(jì)算，但借助于軟件如MTBFcal軟件和其龐大的參數(shù)庫，我們就能夠輕松的得出MTBF值。

MTBF分析的目的

　　1)針對高頻率故障零件的重點(diǎn)對策及零件壽命延長的技術(shù)改造依據(jù)。

　　2)進(jìn)行零件壽命周期的推算及最佳維修計(jì)劃編制。

　　3)有關(guān)點(diǎn)檢對象、項(xiàng)目的選擇與點(diǎn)檢基準(zhǔn)的設(shè)定、改善。

　　4)用于指導(dǎo)內(nèi)外部維修工作分配。根據(jù)公司內(nèi)設(shè)備修復(fù)能力的評價(jià)，以設(shè)備類型、作業(yè)種類的不同來決定內(nèi)部分別承擔(dān)工作的維修質(zhì)量與設(shè)備效率方面的風(fēng)險(xiǎn)，作為維修外包的重要參考。

　　5)設(shè)定備品備件基準(zhǔn)。機(jī)械、電氣零件的各儲備項(xiàng)目及基本庫存數(shù)量，應(yīng)根據(jù)MTBF的記錄分析來判斷，使其庫存水平達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的狀況。

　　6)作為選擇維修技術(shù)方法改善重點(diǎn)的參考依據(jù)。為了提高設(shè)備開動(dòng)率，必須縮短與設(shè)備停機(jī)相關(guān)的長時(shí)間維修作業(yè)及工程調(diào)整、切換的時(shí)間。因此，有必要對維護(hù)作業(yè)方法進(jìn)行檢驗(yàn)，而其檢驗(yàn)的項(xiàng)目、優(yōu)先順序的選擇等基本情況，均需要依據(jù)MTBF的分析記錄表。

　　7)用于設(shè)備對象設(shè)定預(yù)估運(yùn)行時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，及其維護(hù)作業(yè)的選定與維護(hù)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的研究。維修計(jì)劃預(yù)估時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定及維護(hù)作業(yè)的選定，必須考慮設(shè)備維護(hù)重復(fù)周期或標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間值與實(shí)際維護(hù)時(shí)間的差異及相應(yīng)維護(hù)作業(yè)特性等因素，因此，MTBF分析表是非常必要的。

　　8)圖樣整理及重新選定重點(diǎn)設(shè)備或零件時(shí)的參考。MTBF的分析記錄表所記錄的設(shè)備零件改造項(xiàng)目或摩擦劣化等信息，以及設(shè)備圖樣修改或前期制作等情況，通過能經(jīng)常作分析檢驗(yàn)及重要性排序管理，可以使工程圖樣管理變得更容易。

　　9)運(yùn)行操作標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定、修訂及決定設(shè)備維護(hù)業(yè)務(wù)的責(zé)任分派。

　　10)提供設(shè)備的可靠性、可維修性設(shè)計(jì)的技術(shù)資料。維護(hù)技術(shù)最重要的是以MTBF分析表為基礎(chǔ)，收集有關(guān)設(shè)備的可靠性、可維修性設(shè)計(jì)的技術(shù)信息，以便提供給設(shè)計(jì)部門在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)參考。