Эволюционное оборудование

Эволюционируемое оборудование (EH) — это область, в которой основное внимание уделяется использованию эволюционных алгоритмов (EA) для создания специализированной электроники без ручного проектирования. Он объединяет реконфигурируемое оборудование , эволюционные вычисления , отказоустойчивость и автономные системы . Эволюционируемое оборудование — это оборудование, которое может динамически и автономно изменять свою архитектуру и поведение, взаимодействуя со своей средой.

Введение

В своей наиболее фундаментальной форме эволюционный алгоритм манипулирует популяцией людей, где каждый человек описывает, как построить схему-кандидат. Каждой схеме присваивается пригодность , которая указывает, насколько хорошо схема-кандидат удовлетворяет проектным спецификациям. Эволюционный алгоритм использует стохастические операторы для создания новых конфигураций схем из существующих. Если все сделано правильно, со временем эволюционный алгоритм разовьет конфигурацию схемы, которая будет демонстрировать желаемое поведение.

Каждую схему-кандидат можно либо смоделировать, либо физически реализовать в реконфигурируемом устройстве. Типичными реконфигурируемыми устройствами являются программируемые пользователем вентильные матрицы (для цифровых конструкций) или программируемые пользователем аналоговые матрицы (для аналоговых конструкций). На более низком уровне абстракции находятся программируемые транзисторные матрицы , которые могут реализовывать как цифровые, так и аналоговые конструкции.

Эта концепция была впервые предложена Адрианом Томпсоном из Университета Сассекса, Англия, который в 1996 году использовал FPGA для разработки тонального дискриминатора, который использовал менее 40 программируемых логических элементов и не имел тактового сигнала . Это удивительно компактная конструкция для такого устройства, основанная на использовании особенностей аппаратного обеспечения, которых инженеры обычно избегают. Например, одна группа вентилей не имеет логической связи с остальной частью схемы, но имеет решающее значение для ее функции.

Мотивация

Во многих случаях для проектирования схемы можно использовать традиционные методы проектирования (формулы и т. д.). Но в других случаях спецификация проекта не предоставляет достаточной информации, позволяющей использовать традиционные методы проектирования. Например, спецификация может указывать только желаемое поведение целевого оборудования.

В других случаях существующая схема должна адаптироваться, т. е. изменить свою конфигурацию, чтобы компенсировать неисправности или, возможно, изменяющуюся рабочую среду. Например, зонды в дальнем космосе могут столкнуться с внезапными условиями высокой радиации, которые изменяют характеристики схемы; схема должна самоадаптироваться, чтобы восстановить как можно большую часть исходного поведения.

Обнаружение пригодности развитой схемы

Пригодность развитой схемы — это мера того , насколько хорошо схема соответствует проектной спецификации. Пригодность к возникающим аппаратным проблемам определяется двумя методами:

• внешняя эволюция: все схемы моделируются, чтобы увидеть, как они работают,
• внутренняя эволюция: физические тесты проводятся на реальном оборудовании.

При внешней эволюции физически реализуется только последнее лучшее решение в конечной популяции эволюционного алгоритма, тогда как при внутренней эволюции физически реализуется и тестируется каждый индивидуум в каждом поколении популяции ЭА.

Будущие направления исследований

Развивающиеся аппаратные проблемы делятся на две категории: оригинальный дизайн и адаптивные системы. Оригинальный дизайн использует эволюционные алгоритмы для создания системы, соответствующей заранее заданным спецификациям. Адаптивные системы переконфигурируют существующую конструкцию для противодействия сбоям или изменившейся операционной среде.

Оригинальная конструкция цифровых систем не представляет большого интереса, поскольку промышленность уже может синтезировать чрезвычайно сложные схемы. Например, можно купить ядра интеллектуальной собственности для синтеза схем USB-портов, микроконтроллеров Ethernet и даже целых RISC-процессоров. Некоторые исследования оригинального дизайна все еще дают полезные результаты, например, генетические алгоритмы использовались для разработки логических систем со встроенным обнаружением неисправностей, которые превосходят эквиваленты, созданные вручную.

Оригинальный дизайн аналоговых схем по-прежнему остается широко открытой областью исследований. Действительно, индустрия аналогового дизайна далеко не так зрела, как индустрия цифрового дизайна. Адаптивные системы были и остаются областью повышенного интереса.

См. также

• Самоуправление (информатика)
• Программируемое логическое устройство

Дальнейшее чтение

• Гринвуд, Гаррисон В.; Тиррелл, Эндрю М. (20 октября 2006 г.). Введение в развиваемое оборудование: практическое руководство по проектированию самоадаптивных систем (1-е изд.). Wiley-IEEE Press. ISBN  978-0471719779 .
• Яо, X.; Хигучи, Т. (1997). «Обещания и проблемы развиваемого оборудования». Эволюционирующие системы: от биологии к аппаратному обеспечению . Конспекты лекций по информатике. Том. 1259. с. 55. дои : 10.1007/3-540-63173-9_38 . ISBN  978-3-540-63173-6 .

Внешние ссылки

• Конференция, спонсируемая NASA-DoD, 2004 г.
• Конференция, спонсируемая NASA-DoD, 2005 г.
• Конференция НАСА/ЕКА по адаптивному оборудованию и системам (AHS-2006)
• Конференция НАСА/ЕКА по адаптивному оборудованию и системам (AHS-2007)
• НАСА использовало генетический алгоритм для разработки новой антенны ( см. в PDF- документе). подробности
• Эволюционная электроника в Университете Сассекса