조의현
(Yeungnam University Dept.of Biomedical Engineering)
,
박정규
(Daegu Health College Dept.of Radiologic Technology)
,
채종규
(Yeungnam University Dept.of Digital Convergence Business)
본 연구는 PACS의 영상저장부의 디스크 배열에 들어가는 하드디스크의 수명을 제조회사의 가속 수명시험 결과로 예측하고자 하였다. $50^{\circ}C$, $60^{\circ}C$의 고장시간 데이터로 Anderson-Darling 적합도 검증을 진행하여 와이블 분포를 채택하였다. 형상모수와 척도모수로 동일성 검증을 진행한 결과, 가속 수명 시험 $50^{\circ}C$ 조건과 가속 수명 시험 $60^{\circ}C$ 조건의 확률분포가 통계적으로 유의하지 않았다. 온도 가속인자를 포함한 와이블-아레니우스 모형으로부터 추정한 형상모수는 1.0409이며, 사용조건($30^{\circ}C$)의 특성수명은 24603.5 시간이었다. 또한 아레니우스 모델 식에 반영하여 활성화 에너지 0.5011 eV을 산출하였다. 그리고 가속시험의 정확성 확보차원에서 가속시험 불량시료와 시장 반품 시료로 고장 분석을 진행한 결과, 불량 모드별 점유율의 세부 차이는 있으나, 점유율 순서는 일치 하였다. 본 연구는 PACS 환경 하에서 하드디스크의 가속시험절차를 제안하며, 제조자와 사용자간에 수명예측에 도움을 주고자 한다.
본 연구는 PACS의 영상저장부의 디스크 배열에 들어가는 하드디스크의 수명을 제조회사의 가속 수명시험 결과로 예측하고자 하였다. $50^{\circ}C$, $60^{\circ}C$의 고장시간 데이터로 Anderson-Darling 적합도 검증을 진행하여 와이블 분포를 채택하였다. 형상모수와 척도모수로 동일성 검증을 진행한 결과, 가속 수명 시험 $50^{\circ}C$ 조건과 가속 수명 시험 $60^{\circ}C$ 조건의 확률분포가 통계적으로 유의하지 않았다. 온도 가속인자를 포함한 와이블-아레니우스 모형으로부터 추정한 형상모수는 1.0409이며, 사용조건($30^{\circ}C$)의 특성수명은 24603.5 시간이었다. 또한 아레니우스 모델 식에 반영하여 활성화 에너지 0.5011 eV을 산출하였다. 그리고 가속시험의 정확성 확보차원에서 가속시험 불량시료와 시장 반품 시료로 고장 분석을 진행한 결과, 불량 모드별 점유율의 세부 차이는 있으나, 점유율 순서는 일치 하였다. 본 연구는 PACS 환경 하에서 하드디스크의 가속시험절차를 제안하며, 제조자와 사용자간에 수명예측에 도움을 주고자 한다.
In this paper, we estimate the life cycle from acceleration life test about the hard disk of disk array of image storage of PACS. Webuil distribution was selected by the Anderson-Darling goodness-of-fit test with data of down time at $50^{\circ}C$ and $60^{\circ}C$. The equalit...
In this paper, we estimate the life cycle from acceleration life test about the hard disk of disk array of image storage of PACS. Webuil distribution was selected by the Anderson-Darling goodness-of-fit test with data of down time at $50^{\circ}C$ and $60^{\circ}C$. The equality test of shape parameter and scale parameter was conducted, so that the probability distribution estimated from data of down time at $50^{\circ}C$ and $60^{\circ}C$ was not statistically significant. The shape parameter was 1.0409, The characteristic life was 24603.5 hours at normal user condition($30^{\circ}C$) by the analysis of weibull-arrhenius modeling which included the acceleration factor of temperature, and The activation energy was 0.5011 eV through arrhenius modeling. The failure analysis of the failure samples of acceleration test and the samples of market return was conducted, so that the share percentage of failure mode was detail difference but the rank of share percentage was almost same. This study suggest the test procedure of acceleration test of hard disk drive in PACS using environment, and help the life estimation at manufacture and use.
In this paper, we estimate the life cycle from acceleration life test about the hard disk of disk array of image storage of PACS. Webuil distribution was selected by the Anderson-Darling goodness-of-fit test with data of down time at $50^{\circ}C$ and $60^{\circ}C$. The equality test of shape parameter and scale parameter was conducted, so that the probability distribution estimated from data of down time at $50^{\circ}C$ and $60^{\circ}C$ was not statistically significant. The shape parameter was 1.0409, The characteristic life was 24603.5 hours at normal user condition($30^{\circ}C$) by the analysis of weibull-arrhenius modeling which included the acceleration factor of temperature, and The activation energy was 0.5011 eV through arrhenius modeling. The failure analysis of the failure samples of acceleration test and the samples of market return was conducted, so that the share percentage of failure mode was detail difference but the rank of share percentage was almost same. This study suggest the test procedure of acceleration test of hard disk drive in PACS using environment, and help the life estimation at manufacture and use.
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문제 정의
본 연구는 PACS의 영상저장부의 디스크 배열에 들어가는 하드디스크의 수명을 제조회사의 가속 수명시험 결과로 예측하고자 하였다.
본 연구에서는 제조회사의 가속수명시험 결과를 토대로 PACS 환경 하에서 HDD의 수명을 예측하기 위한 가속 수명시험 절차를 확립하고 보다 정확한 수명 예측을 위한 토대를 마련하고자 하였다.
가설 설정
5 V와 12 V 전압이 실험 샘플(sample)에 공급되었고, 최대성능의 95 %조건으로 500시간 동안 실험하였다. 제조자 측면에서 가속수명 시험 500시간은 시험 중 불량수를 고려해서 사용자 조건(30 ˚C)에서 연간 제품 고장률이 0.5 %이상이라는 가정 하에 진행되었다.
제안 방법
5 V와 12 V 전압이 실험 샘플(sample)에 공급되었고, 최대성능의 95 %조건으로 500시간 동안 실험하였다. 제조자 측면에서 가속수명 시험 500시간은 시험 중 불량수를 고려해서 사용자 조건(30 ˚C)에서 연간 제품 고장률이 0.
50 ˚C, 60 ˚C 조건에서, 와이블(weibull)분포, 로그노말(lognormal)분포, 지수(expoential)분포, 로그로지스틱 ( l o g - l o g i s t i c ) 분포에서 Anderson-Darling값이 모두 동일하여서 다양한 분포를 대변할 수 있는 와이블(weibull) 분포를 선정하였다.
PACS의 영상저장 장치에서 사용되어 반품된 하드디스크에 대해서 고장 나무 분석(failure tree analysis, FTA)을 진행하여[5,6] 가속 실험에 대한 조건을 수립하였다.(그림 1)
The test flowchart of acceleration life test applying the analysis of communication between PACS and HDD.
가속 수명시험을 50 ˚C와 60 ˚C 조건에서 시험 한 후, 고장시간 데이터로 형상모수와 척도모수의 동일성 검증을 진행하였다(그림 3)
가속 수명시험을 50 ˚C와 60 ˚C 조건에서 시험한 후, 고장시간 데이터로 분포 분석 (distribution analysis)을 진행하였다. <표 3>은 시험한 시료의 특성수명 값과 10%가 불량이 났을 때의 시간인 B10수명 값, 평균 고장 시간 (mean time to failure, MTTF)의 평균값을 식 (2)에 대입하여 온도를 고려한 제품고유의 성질을 반영한 값인 활성화 에너지를 산출한 결과이다.
가속 수명시험을 50 ˚C와 60 ˚C 조건에서 시험한 후, 얻은 고장시간 데이터를 와이블-아레니우스 모형에 대입한 결과를 얻었다.(그림 4)
가속 수명시험을 50 ˚C와 60 ˚C에서 각각하드 디스크 499대로 500시간 동안 시험을 진행하였다. 시험 중 고장 발생 시간을 기록하였으며, <표 1> 시험결과는 온도 스트레스가 큰 60 ˚C에서 더 많은 불량이 발생하였다.
고장시간의 데이터로부터 분포의 적합도 검증 결과로 와이블 분포를 채택하였다.
시험 중 고장 발생 시간을 기록하였으며, <표 1> 시험결과는 온도 스트레스가 큰 60 ˚C에서 더 많은 불량이 발생하였다. 그리고 시험 종료 후 합격된 시료 5대를 분해해서 하드디스크 내부 상태를 조사해 보니, 내부에 금속조각(particle)들이 검출되어 장기적 사용이 힘들어 폐기하였다.
동일 모델의 HDD에 대해서, 가속 수명 시험에서 고장 발생한 시료 52대와 시장에서 반품된 시료 50대로 고장 분석(failure analysis)을 진행하였다. <표 5>는 각 고장 모드(failure mode)에 대한 고장발생 원리(mechanism)을 정리한 것이다.
본 연구는 하드디스크의 내부정보로 하드 디스크의 수명을 산출하는 방식은 기존 연구[11]와 비슷한 반면, 정확도가 높은 연간 제품 고장률 산출을 위해서 전송률 계수를 산출하였다.
불량 모드 점유율 비교에서 가장 많은 점유율을 차지한 결점(defect)과 스크래치(scratch) 불량 시료에 대해서, 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)을 사용하여 불량 발생 부위를 측정하였다. (그림 7)의 (a)와 (b)는 결점에 대한 SEM 측정 결과이고, (그림 7)의 (c)와 (d)는 그림 (a)와 (b)를 확대한 그림이다.
시험 대본으로 읽기(read operation)와 쓰기(write operation) 비율을 50대 50으로 하였으며, 주소 접근(access) 방식은 임의 주소(random address)와 순차 주소(sequential address)의 비율을 20대 80으로 하였다.(그림 2)
하드디스크 제조업자는 대형 컴퓨터 회사가 국제 디스크 장비와 재료 협회(international disk drive equipment and material association, IDEMA)의 규격을 변형한 것에 맞추어 가속 시험을 진행하고 있는 반면, 본 연구에서는 시험 온도와 전송률에 대해서는 대형 컴퓨터 회사의 요청에 맞추어서 시험을 진행하였으나, 고장시간 데이터로 통계적 기법을 활용하여 수명을 예측하였다.
대상 데이터
2011년 5월부터 7월까지 디스크 어레이 사용을 목표로 개발된 제조회사(Samsung) 3.5인치 HDD 499대를 대상으로 하였다.
가속 수명 시험은 50 ˚C와 60 ˚C 조건에서 각각 499대로 시험을 진행하였다.
사용자는 업체가 제공하는 평균 고장시간 (Mean time to failure, MTTF)을 토대로 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive, HDD)의 대략적인 수명을 예측할 뿐이며, HDD 제조사는 하드디스크의 수명을 예측하는 방법과 결과를 비공개로 하고 있다.[3]
시험 테스트 사용패턴은 의료용 디지털 영상 통신(Digital Imaging and Communications in Medicine, DICOM)으로 컴퓨터 단층촬영 (Computed Tomography, CT)영상을 사용하였다.
데이터처리
PACS 환경에 사용되는 하드디스크를 50 ˚C와 60 ˚C 가속 시험 조건에서 시험 한 후, 고장 시간 데이터로 Anderson-Darling 적합도 검증을 실시하였다.[7]<표 2>
이론/모형
온도 가속 환경(50 ˚C, 60 ˚C)에서 수명 시험 시의 고장 발생 시간(time to failure, TTF) 정보를 아레니우스(arrhenius) 모형인식 (1)에 대입하였다. 식 (2)은 식 (1)의 양변 자연로그를 취하여 온도 변화에 대한 수명의 비를 이용하여 활성화 에너지를 산출하는데 활용되었다.
성능/효과
(그림 8)의 (a)는 스크래치의 SEM 측정 결과이고, (그림 8)의 (b)는 (a)를 확대한 그림이다. SEM 측정 결과를 비교해 보면, 동일 불량일 경우에 가속 시험 불량 시료와 시장 반품 시료 간에 차이가 없었다.
가속시험의 정확성 확보차원에서 가속시험 불량시료와 시장 반품 시료로 고장 분석을 진행한 결과, 점유율 순서와 같은 불량 모드의 정밀 분석 결과는 동일하나 불량 모드별 점유율의 세부 차이는 있는 것으로 나타났다.
시험 중 고장 발생 시간을 기록하였으며, 시험결과는 온도 스트레스가 큰 60 ˚C에서 더 많은 불량이 발생하였다.
형상모수와 척도모수로 동일성 검증을 진행한 결과, 가속 수명 시험 50 ˚C 조건과 가속 수명 시험 60 ˚C조건의 확률분포가 통계적으로 유의하지 않았다. 온도 가속인자를 포함한 와이블-아레니우스 모형으로부터 추정한 형상모수는 1.
확률 분포의 모양에 관련된 형상 모수(shape parameter)와 시험시료 전체의 63.2%가 불량이 발생하는 시간을 나타내는 특성 수명을 산출 결과, 형상모수는 1.0409 이고, 실제 사용조건 30 ˚C의 특성수명은 24603.5 시간이었다.[8]
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PACS란 무엇인가?
PACS는 각종 의료 장치(X-Ray, CT, MR, Angio, 내시경, 초음파, BMD 등)에서 발생한 영상들을 단말기가 설치된 진료실과 병동에서 동시에 실시간으로 환자의 영상을 조회 검색할 수 있는 시스템이다.
와이블-아레니우스 모형의 특징은 무엇인가?
와이블-아레니우스 모형은 화학적 반응률에 대한 아레니우스 법칙에 기초하여 온도와 반응의 속도가 높은 관계를 갖는 경우 적용할 수 있는 가속 시험 모형인데, 온도가속에 수명이 영향을 받을 수 있는 전자, 기계, 화학 등 다양한 분야에서 사용된다.
HDD 제조사에서 하드디스크의 수명을 예측하기 위해 사용된 분포는 무엇인가?
현재까지 제조사는 가속 수명 시험 진행 및 분석 절차의 확립이 미흡하였으며, 수명시험(life test)의 결과물인 고장시간(Time to failure, TTF)을 토대로 웨이블(Weibull)분포와 지수 (Exponential)분포를 결합하여 수명을 예측하는 방법을 사용하기도 하였다.[4]
참고문헌 (11)
Elerath JG. Enhanced reliability modeling of RAID storage systems. dependable systems and networks. 37th annual institute of electrical and electronics engineers/international federation for information processing, international conference, pp 175-184, 2007.
Schroeder B, Gibson GA: Disk failures on thr real world: What does an MTTF of 1000000 hours mean to you ?. ACM Trans Storage 3(: 1-16, 2007.
Euy-Hyun Cho, Jeong-kyu Park, Hui-Don Seo: The Accelerated Life Test of 2.5 Inch Hard DiskIn The Environment of PC using Journal of Digital Contents Society Vol. 15 No. 1 pp. 19-27,2014
Shaohsin Chen, Feng-Bin Sun, Yang, J, "A New Method of Hard Disk Drive MTTF Projection Using Data from an Early Life Test", Reliability and Maintainability Symposium, Proceedings. Annual Vol.18, No. 21,pp. 252-257, Jan. 1999.
Kim BN, Kim JJ, Jang SW, Shin SJ, Gwak GD: Accelerated life test for LED. The Korean society of mechanical engineers proceedings autumnal symposium, 2006.
Strom BD, Lee SC, Tyndall GW: Hard disk drive reliability modeling and failure prediction institute of electrical and electronics engineers transaction on magnetics, 43(9): 3676-84, 2007.
Kang BS, Kim HU, Jang MS, Song CS: A study on validation of accelerated model for pneumatic cylinder. The Korean society of mechanical engineers 33(10): 1139-1143, 2009.
McPherson JW: Reliability physics and engineering, Springer. pp 37-116, 2011.
Kim JJ, Chang SW, Son YK: Electrical lifetime estimation of a relay by accelerated life test. The Korean society of mechanical engineers, Proceedings 32 (5): 430-436, 2008.
Agarwal V, Bhattacharyya C, Niranjan T, Susarla S: Discovering rules from disk event for predicting hard disk failure. Machine learning and applications, ICMLA 09 International Conference, pp 782-786, 2009.
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