Par MM. Douglas Stinson, Fred Amell et Nick Zaino
Eastman Kodak Company - USA
© Copyright 1995 MOSARCA
Cet article a été publié dans le magazine MOS 130.
Les éléments clés qui ont contribué au succès du CD-ROM et du CD inscriptible en tant que supports de stockage et de diffusion d'information sont leur faible coût au méga-octet, leur ergonomie et leur convivialité. Avec une capacité par disque d'environ 680 Mo, l'utilisateur dispose d'un support d'archivage important pour des données dont il est en droit d'attendre une certaine pérennité. Par souci de qualité, la fiabilité d'un tel support est devenu le critère prédominant lors du développement du CD inscriptible Kodak Infoguard et du Photo CD Kodak. Cette contrainte a guidé le choix des matériaux composant chaque CD, notamment la couche d'enregistrement. Afin de conforter les utilisateurs actuels et futurs sur la fiabilité de ce support, nous avons souhaité mettre à leur disposition une estimation quantitative sur la durée de vie des données enregistrées sur un CD Inscriptible Kodak Infoguard. Notre étude de fiabilité a porté sur des CD Inscriptibles Kodak stockés dans des conditions de stockage recommandées (température de 24°C, humidité relative de 40% (Hr) et à l'abri de la lumière). La durée de vie estimée pourra s'appliquer à 95% des disques produits avec un niveau de confiance de 95%.
Le vieillissement naturel du CD Inscriptible a été accéléré par une exposition à une température élevée. La forme de la distribution du &laqno;BLERmax» a été estimée et le seuil à 95% déterminé. La courbe entre le seuil à 95% et &laqno;la fin de vie» du CD a été interpolée pour chaque température. Après vérification de la validité du modèle standard Arrhenius à l'égard de cette fonction, le modèle a été utilisé pour extrapoler la durée de vie des données sous une température de 24° C. Nous nous sommes conformés le plus possible aux standards en cours de développement pour la duré de vie des supports optiques (1).
L'indice de mesure, &laqno;BLERmax», est selon l'utilisateur, l'élément
qui permet d'estimer approximativement l'intégrité des données
stockées sur le CD Inscriptible Kodak Infoguard et le Photo CD Kodak.
Déterminer la durée de vie des données via les spécifications
standard de l'industrie (&laqno;BLERmax <220») requiert une extrapolation
bien au-delà du champ des données. En conséquence,
nous nous sommes basés sur la valeur &laqno;BLERmax <50».
Cette valeur a été définie en suivant un modèle
Arrhenius. Ce modèle permet de prévoir avec un niveau de confiance
de 95% une durée de vie supérieure à 217 ans pour 95%
des CD enregistrés correctement et conservés dans des conditions
recommandées de stockage (24° C, 40% Hr) et sans exposition prolongée
à la lumière.
Pour l'utilisateur, le point de défaillance est défini en
pratique par l'impossibilité d'accéder à ses données.
Or, si l'on considère qu'une seule erreur incorrigible constitue
le point de défaillance, cet indice de mesure est donc binairement
&laqno;bon» ou &laqno;mauvais» . Afin de déterminer le
laps de temps jusqu'à l'erreur via cet indice de mesure, chaque CD
doit être testé jusqu'à son point de défaillance.
Une valeur binaire n'offre pas de visibilité sur les changements
antérieurs à la défaillance du CD, à partir
desquels la durée de vie peut être extrapolée. En raison
de la longévité de ce produit, il est pratiquement impossible
de détecter une erreur, excepté dans des conditions accélérées
à l'extrême - contexte où l'extrapolation sous une température
de 24 °C est plus sensible à l'erreur. De plus, les lecteurs
de CD utilisent des techniques différentes dans l'implémentation
des codes de correction d'erreur standard de l'industrie (ECC).Ce critère,
ainsi que les différences dans l'implémentation des frontaux
analogiques des lecteurs de CD, expliquent que des disques qui génèrent
des erreurs incorrigibles dans un lecteur fonctionnent sans erreur dans
un autre lecteur.
Pour éviter ces difficultés, nous avons choisi de mesurer
un paramètre variant de manière continue et lié aux
erreurs non corrigibles. Un paramètre clé de performance défini
dans la description du système du &laqno;Compact Disc Digital Audio
de Philips et Sony (Red Book)» et dans IEC 908 (2), est le nombre
de blocs de données erronés par seconde à l'entrée
du décodeur ECC de premier niveau, sur une durée moyenne de
10 secondes : le &laqno;Block Error Rate» (&laqno;BLER»). Nous
avons déterminé que la valeur maximale de ce paramètre
sur tout le disque (&laqno;BLERmax») est corrélée correctement
avec les erreurs non corrigibles. Cet indice de mesure a aussi été
utilisé par le groupe ANSI travaillant sur les tests de fiabilité
du CD. Par conséquent, nous avons adopté le &laqno;BLERmax»
comme indice de mesure. La spécification standard de l'industrie
indique que le &laqno;BLERmax» doit être inférieur à
220. Au cours de notre étude, le &laqno;BLERmax» n'a pas approché
cette limite. En conséquence, l'estimation du temps nécessaire
pour atteindre le seuil BLERmax = 220 aurait requis des extrapolations bien
au-delà du champ des données. Dans l'une des meilleures études
sur la durée de vie des CD (3), 3M a été confronté
à une situation similaire. Cette société a alors décidé
de prévoir ce qu'elle a appelé le &laqno;milieu de vie»,
défini lorsque le BLERmax = 50. Dans le cadre de cette étude,
nous avons adopté le même critère.
Voir une image plus grande = 100 ko
Enregistreur de CD-WORM ou CD-R Kodak
Dans l'industrie des mémoires optiques, la plus grande température
normalement employée dans les tests de vieillissement accéléré
est de 80°C. Les expériences initiales sur de petites quantités
de CD Inscriptibles Kodak n'ont pas montré de changements notables
après 2000 heures passées sous une température de 80°C
et une humidité relative de 85%. C'est pourquoi nous avons soumis
les CD à une température maximale de 100 °C et avons utilisé
le protocole décrit dans la table 1.
La taille des échantillons a été choisie pour compenser
le fait que peu de défaillances sont attendues aux températures
les plus basses. Un plus grand échantillon de CD a été
soumis à des températures de 100°C afin de permettre une
meilleure estimation de la courbe de la population des valeurs &laqno;BLER»
dans des conditions censées provoquer des défaillances durant
l'expérience. Les tests sous une température de 80°C ont
été conduits sous une humidité relative de 3% plutôt
que de 40% pour que dans une étude future, les données générées
par cette expérience puissent être combinées aux donnés
80 °C/85% Hr, afin d'estimer l'effet de l'humidité relative.
Tous les CD Inscriptibles ont été entièrement enregistrés
sur un enregistreur Kodak PCD 200 dans des conditions réelles d'utilisation.
Avant une période d'incubation et entre chaque test, les performances
de chaque disque ont été évaluées grâce
à un équipement standard de l'industrie permettant de tester
la fiabilité des CD (4).
Suite aux tests, les CD ont été replacés en chambre
expérimentale pour une période d'incubation continue. Les
montées en charge des chambres ont été définies
de façon à éviter la condensation à l'intérieur
du substrat de polycarbonate ou la déflexion induite du substrat
(5).
Parmi les trois distributions, normale, &laqno;log-normal» et &laqno;Weibull»,
la distribution &laqno;log-normal» a été définie
comme décrivant le mieux les valeurs &laqno;BLERmax» à
chaque point temps/température. Grâce à cette distribution,
la valeur du &laqno;BLERmax» couvrant 95% de la population a pu être
estimée. La régression du &laqno;log» de cette valeur
par le temps d'exposition a ainsi été obtenue. Un exemple
pour le cas 100°C est présenté Figure 1. A partir de ces
régressions, le temps restant jusqu'à la défaillance
a pu être estimé à chaque température. Aucun
changement statistiquement significatif du &laqno;BLERmax» à
60°C n'a été enregistré au bout de 2.000 heures
(durée de l'expérience). Tous les paramètres mesurés
sur le disque stocké dans des conditions normales (25°C / 50%
Hr) pendant la durée de l'expérience correspondaient à
ceux obtenus sur des disques sortis d'usine.
Les durées de vie estimées à température élevée
sont présentées Figure 2 sous la forme du standard Arrhenius
: Log (durée de vie) par rapport à 1/température. Comme
on peut le voir, les données sont exactement alignées, suggérant
ainsi la validité du modèle Arrhenius pour ces données.
Le &laqno;BLERmax» n'ayant pas changé à 60°C, ces
données n'ont pas été utilisées pour la régression.
Cette régression a été utilisée pour déterminer
la durée de vie à 25°C.
L'incertitude sur la durée de vie a été estimée
grâce à la technique du bootstrapping (6). A chaque temps et
température, une estimation différente de la population des
valeurs &laqno;BLERmax» a été obtenue par le choix de
"n" échantillons, avec replacement, à partir des
données où "n" est égal au nombre total de
points pour ce temps et cette température. La procédure décrite
ci-dessus pour estimer la durée de vie à chaque température
ainsi que l'extrapolation à 25°C a été suivie avec
ces nouvelles estimations de la population. Ce processus a été
complètement répété 1000 fois. Les barres d'erreurs
sur la Figure 2 contiennent 95% de ces estimations. La Figure 2 montre ainsi
qu'avec 95% de niveau de confiance, 95% de la population des CD Inscriptibles
Kodak Infoguard auront une durée de vie supérieure à
217 ans si ces disques sont stockés à l'abri de la lumière,
à une température de 25 °C et dans une humidité
relative de 40% après avoir été enregistrés
avec l'Enregistreur Kodak PCD 200 (7).
L'ajustement au modèle Arrhenius permet aussi de prévoir les
modifications du &laqno;BLERmax» à une température de
60°C en fonction du temps. Cette prévision (trait plein) ainsi
que les données mesurées apparaissent sur la Figure 3. Le
modèle prévoit précisément l'absence de modification
pouvant être observée au cours de l'expérience. Ce fait
renforce la validité du modèle et la prévision de durée
de vie à la température ambiante.
D'autres experts préfèrent représenter en pourcentage
les modifications du &laqno;BLER» en fonction du temps, plutôt
que d'utiliser la valeur absolue du &laqno;BLER». La Figure 4 représente
les données en pourcentage à 60°C. Sur la même figure
apparaissent également les pourcentages de modification du BLER de
certains CD-ROM après incubation à 80°C / 85% d'humidité
relative. Ces données sont obtenues depuis la Figure 1 (de la référence
3). Comme on peut le voir, les caractéristiques de vieillissement
des CD Inscriptibles Kodak Infoguard peuvent être favorablement comparés
à celles des meilleurs CD-ROM pressés. On pourra aussi noter
que la durée de vie des CD-ROM varie considérablement d'un
fabricant à un autre. De la même manière, la durée
de vie déterminée pour les CD inscriptibles d'un fabricant
n'est pas nécessairement représentative de la durée
de vie des disques des autres fabricants.
La position officielle de Kodak sur la durée de vie des CD Inscriptibles
est la suivante : &laqno;Nous prévoyons que la durée de vie
des Photo CD Kodak et des CD Inscriptibles Kodak Infoguard, dans des conditions
normales de stockage, dans un environnement de bureau ou domestique, sera
supérieure à 100 ans» (8). Cette position est largement
confortée par une interprétation légitime de cette
étude. Sous des conditions contrôlées, notre meilleure
estimation sur la durée de vie des données stockées
sur ces produits est de 217 ans, ce qui laisse la place à des divergences
d'opinion sur les &laqno;conditions normales de stockage».
Toutes les prévisions de durée de vie sont sujettes aux
objections suivantes :
1) Cette méthodologie ne peut prévoir des durées de
vie que sur la base de mécanismes de défaillances qui sont
apparues aux températures et au temps couverts par l'expérience.
Il est toujours possible, qu'à des températures plus proches
que celles rencontrées pendant un usage normal, un mécanisme
différent se produise avec un taux plus fort que celui des mécanismes
rencontrés lors de l'expérience, réduisant ainsi la
durée de vie des produits. Plus la différence entre la température
ambiante et la température de test minimale est grande, plus un tel
problème peut se poser. De façon à provoquer des modifications
pendant les trois mois où les disques ont été mis en
chambre expérimentale, de très hautes températures
ont été utilisées. (Le temps réel, incluant
les tests et les analyses, a été beaucoup plus long que trois
mois. Les incubations de trois mois sont fréquemment utilisées
dans l'industrie des mémoires optiques);
2) Des équipements d'enregistrement ou de lecture de mauvaise qualité
peuvent réduire de manière drastique la durée de vie
apparente du média. (De toute évidence, un enregistreur de
CD- Inscriptible défaillant peut générer des disques
illisibles; la durée de vie apparaît ainsi nulle). Il est très
important que le &laqno;BLER» initial soit représentatif d'un
disque correctement enregistré;
3) L'estimation ne peut être exacte que si le modèle Arrhenius
est valide pour toutes les températures de 100 °C à 25
°C.
Douglas Stinson, Fred Amell et Nick Zaino -Eastman Kodak Company
Remerciements
Plusieurs personnes ont contribué à la réussite de
cette étude. Herb Brew a coordonné les expositions aux conditions
accélérées ainsi que les mesures. Le groupe &laqno;CD
Production Testing» a mené la plupart des mesures. Dave Nunez
a maintenu et conduit les chambres d'environnement contrôlé.
Traduit de l'américain par Kodak-Pathé - Division Imagerie
Numérique (Digital & Applied Imaging)
Biographie des auteurs:
Le Dr Douglas G. Stinson est responsable de l'unité Conception et
Développement des Média Optiques, Imagerie Numérique
et Appliquée, chez Eastman Kodak. Il a obtenu une licence au New
College de Sarasota (Floride) et un doctorat en physique à l'université
de l'Illinois, à Champaign-Urbana. Le Dr. Stinson est entré
chez Eastman Kodak en 1981 en tant que chercheur au Laboratoire des Systèmes
d'Enregistrement. Depuis, il a occupé divers postes techniques et
de direction dans le domaine de l'enregistrement optique chez Kodak.
Nicholas A. Zaino, Jr. est consultant technique associé de l'Organisation
pour la Qualité de Fabrication de la Société Eastman
Kodak (Rochester, Etat de New York). Il a obtenu une licence en génie
électrique à l'Institut de Technologie de Rochester, une maîtrise
en génie électrique à l'université de Pennsylvanie
et une maîtrise de statistiques à l'université de Rochester.
Durant les 25 dernières années, il s'est occupé d'ingénierie
de systèmes, de recherche marketing et d'études statistiques
sous divers aspects. A l'heure actuelle, il conseille et forme les équipes
de développement de nouveaux produits à la notion de fiabilité.
Il est également membre de l'Adjunct Faculty de l'Institut de Technologie
de Rochester ainsi que de l'ORSA, l'ASQC et l'ASA.
M. Fred Amell est ingénieur en développement à l'unité
Conception et Développement des Média Optiques, Imagerie Numérique
et Appliquée, chez Eastman Kodak. Il a obtenu une licence de chimie
à l'Institut de Technologie de Rochester. Depuis, il a étendu
son champ d'études au génie électrique. M. Amell est
entré chez Eastman Kodak en 1977 et a occupé des postes en
liaison avec les divisions d'analyse et de fabrication au sein de Kodak.
© Copyright 1995 MOSARCA
Cet article a été publié dans le magazine MOS 130
