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基于生物學(xué)的電子電路設(shè)計
摘要：介紹了可進化硬件的機理和相關(guān)技術(shù)，著重闡述了一種基于進化論中遺傳算法的大規(guī)模電子電路設(shè)計方法，分析了如何通過可進化硬件的機理來實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的高容錯性設(shè)計。介紹了進化電子電路設(shè)計的設(shè)計架構(gòu)及基本設(shè)計步驟?實現(xiàn)進化電子電路設(shè)計的設(shè)計環(huán)境。展望了基于可進化硬件思想的電子電路設(shè)計的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：可進化硬件 遺傳算法 電子電路設(shè)計 現(xiàn)場可編程門陣列
在人類的科學(xué)研究中，有不少研究成果得益于大自然的啟發(fā)，例如仿生學(xué)技術(shù)。隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，許多的科學(xué)研究越來越與生物學(xué)緊密相聯(lián)。在人工智能方面，已經(jīng)實現(xiàn)了能用計算機和電子設(shè)備模仿人類生物體的看、聽、和思維等能力；另一方面，受進化論的啟發(fā)，科學(xué)家們提出了基于生物學(xué)的電子電路設(shè)計技術(shù)，將進化理論的方法應(yīng)用于電子電路的設(shè)計中，使得新的電子電路能像生物一樣具有對環(huán)境變化的適應(yīng)、免疫、自我進化及自我復(fù)制等特性,用來實現(xiàn)高適應(yīng)、高可靠的電子系統(tǒng)。這類電子電路常稱為可進化硬件(ＥＨＷ, Ｅｖｏｌｖａｂｌｅ ＨａｒｄＷａｒｅ)。本文主要介紹可進化硬件ＥＨＷ的機理及其相關(guān)技術(shù)并根據(jù)這種機理對高可靠性電子電路的設(shè)計進行討論。
１ ＥＨＷ的機理及相關(guān)技術(shù)
計算機系統(tǒng)所要求解決的問題日趨復(fù)雜，與此同時，計算機系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。而復(fù)雜性的提高就意味著可靠性的降低，實踐經(jīng)驗表明，要想使如此復(fù)雜的實時系統(tǒng)實現(xiàn)零出錯率幾乎是不可能的，因此人們寄希望于系統(tǒng)的容錯性能：即系統(tǒng)在出現(xiàn)錯誤的情況下的適應(yīng)能力。對于如何同時實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和可靠性，大自然給了我們近乎完美的藍本。人體是迄今為止我們所知道的最復(fù)雜的生物系統(tǒng)，通過千萬年基因進化，使得人體可以在某些細胞發(fā)生病變的情況下，不斷地進行自我診斷，并最終自愈。因此借用這一機理，科學(xué)家們研究出可進化硬件（ＥＨＷ,Ｅｖｏｌｖａｂｌｅ ＨａｒｄＷａｒｅ），理想的可進化硬件不但同樣具有自我診斷能力，能夠通過自我重構(gòu)消除錯誤，而且可以在設(shè)計要求或系統(tǒng)工作環(huán)境發(fā)生變化的情況下，通過自我重構(gòu)來使電路適應(yīng)這種變化而繼續(xù)正常工作。嚴(yán)格地說，ＥＨＷ具有兩個方面的目的，一方面是把進化算法應(yīng)用于電子電路的設(shè)計中；另一方面是硬件具有通過動態(tài)地、自主地重構(gòu)自己實現(xiàn)在線適應(yīng)變化的能力。前者強調(diào)的是進化算法在電子設(shè)計中可替代傳統(tǒng)基于規(guī)范的設(shè)計方法；后者強調(diào)的是硬件的可適應(yīng)機理。當(dāng)然二者的區(qū)別也是很模糊的。本文主要討論的是ＥＨＷ在第一個方面的問題。
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對ＥＨＷ的研究主要采用了進化理論中的進化計算（Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）算法,特別是遺傳算法（ＧＡ）為設(shè)計算法，在數(shù)字電路中以現(xiàn)場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）為媒介，在模擬電路設(shè)計中以現(xiàn)場可編程模擬陣列（ＦＰＡＡ）為媒介來進行的。此外還有建立在晶體管級的現(xiàn)場可編程晶體管陣列（ＦＰＴＡ），它為同時設(shè)計數(shù)字電路和和模擬電路提供了一個可靠的平臺。下面主要介紹一下遺傳算法和現(xiàn)場可編程門陣列的相關(guān)知識，并以數(shù)字電路為例介紹可進化硬件設(shè)計方法。
１．１ 遺傳算法
遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化算法，它借鑒了物種進化的思想，將欲求解問題編碼，把可行解表示成字符串形式，稱為染色體或個體。先通過初始化隨機產(chǎn)生一群個體，稱為種群，它們都是假設(shè)解。然后把這些假設(shè)解置于問題的“環(huán)境”中，根據(jù)適應(yīng)值或某種競爭機制選擇個體（適應(yīng)值就是解的滿意程度），使用各種遺傳操作算子（包括選擇，變異，交叉等等）產(chǎn)生下一代（下一代可以完全替代原種群，即非重疊種群；也可以部分替代原種群中一些較差的個體，即重疊種群），如此進化下去，直到滿足期望的終止條件，得到問題的最優(yōu)解為止。
１．２ 現(xiàn)場可編程邏輯陣列(ＦＰＧＡ)
現(xiàn)場可編程邏輯陣列是一種基于查找表(ＬＵＴ, Ｌｏｏｋｕｐ Ｔａｂｌｅ)結(jié)構(gòu)的可在線編程的邏輯電路。它由存放在片內(nèi)ＲＡＭ中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)，工作時需要對片內(nèi)的ＲＡＭ進行編程。當(dāng)用戶通過原理圖或硬件描述語言（ＨＤＬ）描述了一個邏輯電路以后， ＦＰＧＡ開發(fā)軟件會把設(shè)計方案通過編譯形成數(shù)據(jù)流，并將數(shù)據(jù)流下載至ＲＡＭ中。這些ＲＡＭ中的數(shù)據(jù)流決定電路的邏輯關(guān)系。掉電后，ＦＰＧＡ恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，ＦＰＧＡ能夠反復(fù)使用，灌入不同的數(shù)據(jù)流就會獲得不同的硬件系統(tǒng)，這就是可編程特性。這一特性是實現(xiàn)ＥＨＷ的重要特性。目前在可進化電子電路的設(shè)計中，用得最多得是Ｘｉｌｉｎｘ 公司的Ｖｉｒｔｅｘ系列 ＦＰＧＡ芯片。
２ 進化電子電路設(shè)計架構(gòu)
本節(jié)以設(shè)計高容錯性的數(shù)字電路設(shè)計為例來闡述ＥＨＷ的設(shè)計架構(gòu)及主要設(shè)計步驟。對于通過進化理論的遺傳算法來產(chǎn)生容錯性，所設(shè)計的電路系統(tǒng)可以看作一個具有持續(xù)性地、實時地適應(yīng)變化的硬件系統(tǒng)。對于電子電路來說，所謂的變化的來源很多，如硬件故障導(dǎo)致的錯誤，設(shè)計要求和規(guī)則的改變，環(huán)境的改變（各種干擾的出現(xiàn)）等。
從進化論的角度來看，當(dāng)這些變化發(fā)生時，個體的適應(yīng)度會作相應(yīng)的改變。當(dāng)進化進行時，個體會適應(yīng)這些變化重新獲得高的適應(yīng)度。基于進化論的電子電路設(shè)計就是利用這種原理,通過對設(shè)計結(jié)果進行多次地進化來提高其適應(yīng)變化的能力。
電子電路進化設(shè)計架構(gòu)如圖１所示。圖中給出了電子電路的設(shè)計的兩種進化，分別是內(nèi)部進化和外部進化。其中內(nèi)
部進化是指硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進化，而外部進化是指軟件模擬的電路的進化。這兩種進化是相互獨立的，當(dāng)然通過外部進化得到的最終設(shè)計結(jié)果還是要由硬件結(jié)構(gòu)的變化來實際體現(xiàn)。從圖中可以看出，進化過程是一個循環(huán)往復(fù)的過程，其中是根據(jù)進化算法（遺傳算法）的計算結(jié)果來進行的。整個進化設(shè)計包括以下步驟：
（１）根據(jù)設(shè)計的目的，產(chǎn)生初步的方案，并把初步方案用一組染色體（一組“０”和“１”表示的數(shù)據(jù)串）來表示，其中每個個體表示的是設(shè)計的一部分。染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到ＦＰＧＡ上，用來定義ＦＰＧＡ的開關(guān)狀態(tài)，從而確定可重構(gòu)硬件內(nèi)部各單元的聯(lián)結(jié)，形成了初步的硬件系統(tǒng)。用來設(shè)計進化硬件的ＦＰＧＡ器件可以接受任意組合的數(shù)據(jù)流下載，而不會導(dǎo)致器件的損害。
（２）將設(shè)計結(jié)果與目標(biāo)要求進行比較，并用某種誤差表示作為描述系統(tǒng)適應(yīng)度的衡量準(zhǔn)則。這需要一定的檢測手段和評估軟件的支持。對不同的個體，根據(jù)適應(yīng)度進行排序，下一代的個體將由最優(yōu)的個體來產(chǎn)生。
（３）根據(jù)適應(yīng)度再對新的個體組進行統(tǒng)計，并根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果挑選一些個體。一部分被選個體保持原樣，另一部分個體根據(jù)遺傳算法進行修改，如進行交叉和變異，而這種交叉和變異的目的是為了產(chǎn)生更具適應(yīng)性的下一代。把新一代染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到ＦＰＧＡ中對硬件進行進化。
（４）重復(fù)上述步驟，產(chǎn)生新的數(shù)代個體，直到新的個體表示的設(shè)計方案表現(xiàn)出接近要求的適應(yīng)能力為止。
一般來說通過遺傳算法最后會得到一個或數(shù)個設(shè)計結(jié)果，最后設(shè)計方案具有對設(shè)計要求和系統(tǒng)工作環(huán)境的最佳適應(yīng)性。這一過程又叫內(nèi)部進化或硬件進化。
圖中的右邊展示了另一種設(shè)計可進化電路的方法，即用模擬軟件來代替可重構(gòu)器件，染色體每一位確定的是軟件模擬電路的連接方式，而不是可重構(gòu)器件各單元的連接方式。這一方法叫外部進化或軟件進化。這種方法中進化過程完全模擬進行，只有最后的結(jié)果才在器件上實施。
進化電子電路設(shè)計中，最關(guān)鍵的是遺傳算法的應(yīng)用。在遺傳算法的應(yīng)用過程中，變異因子的確定是需要慎重考慮的，它的大小既關(guān)系到個體變異的程度，也關(guān)系到個體對環(huán)境變化做出反應(yīng)的能力，而這兩個因素相互抵觸。變異因子越大，個體更容易適應(yīng)環(huán)境變化，對系統(tǒng)出現(xiàn)的錯誤做出快速反應(yīng)，但個體更容易發(fā)生突變。而變異因子較小時，系統(tǒng)的反應(yīng)力變差，但系統(tǒng)一旦獲得高適應(yīng)度的設(shè)計方案時可以保持穩(wěn)定。
對于可進化數(shù)字電路的設(shè)計，可以在兩個層面上進行。一個是在基本的“與”、“或”、“非”門的基礎(chǔ)上進行進化設(shè)計，一個是在功能塊如觸發(fā)器、加法器和多路選擇器的基礎(chǔ)上進行。前一種方法更為靈活，而后一種更適于工業(yè)應(yīng)用。有人提出了一種基于進化細胞機（Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ａｕｔｏｍａｔｏｎ）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計架構(gòu)。采用這一結(jié)構(gòu)設(shè)計時，只需要定義整個模塊的適應(yīng)度，而對于每一模塊如何實現(xiàn)它復(fù)雜的功能可以不予理睬，對于超大規(guī)模線路的設(shè)計可以采用這一方法來將電路進行整體優(yōu)化設(shè)計。
３ 可進化電路設(shè)計環(huán)境
上面描述的軟硬件進化電子電路設(shè)計可在圖２所示的設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境下進行。這一設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境對于測試可重構(gòu)硬件的構(gòu)架及展示在ＦＰＧＡ可重構(gòu)硬件上的進化設(shè)計很有用處。該設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境包括遺傳算法軟件包、ＦＰＧＡ開發(fā)系統(tǒng)板、數(shù)據(jù)采集軟硬件、適應(yīng)度評估軟件、用戶接口程序及電路模擬仿真軟件。
遺傳算法由計算機上運行的一個程序包實現(xiàn)。由它來實現(xiàn)進化計算并產(chǎn)生染色體組。表示硬件描述的染色體通過通信電纜由計算機下載到有ＦＰＧＡ器件的實驗板上。然后通過接口將布線結(jié)果傳回計算機。適應(yīng)度評估建立在儀器數(shù)據(jù)采集硬件及軟件上，一個接口碼將ＧＡ與硬件連接起來，可能的設(shè)計方案在此得到評估。同時還有一個圖形用戶接口以便于設(shè)計結(jié)果的可視化和將問題形式化。通過執(zhí)行遺傳算法在每一代染色體組都會產(chǎn)生新的染色體群組，并被轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流傳入實驗板上。至于通過軟件進化的電子電路設(shè)計，可采用Ｓｐｉｃｅ軟件作為線路模擬仿真軟件，把染色體變成模擬電路并通過仿真軟件來仿真電路的運行情況，通過相應(yīng)軟件來評估設(shè)計結(jié)果。
４ 結(jié)論與展望
進化過程廣義上可以看作是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)變化。在這個意義上，可以將“可進化”這一特性運用到無數(shù)的人工系統(tǒng)中，只要這些系統(tǒng)的性能會受到環(huán)境的影響。不僅是遺傳算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能工程以及胚胎學(xué)都可以應(yīng)用到可進化系統(tǒng)中。雖然目前設(shè)計出的可進化硬件還存在著許多需要解決的問題，如系統(tǒng)的魯棒性等。但在未來的發(fā)展中，電子電路可進化的設(shè)計方法將不可避免的取代傳統(tǒng)的自頂向下設(shè)計方法，系統(tǒng)的復(fù)雜性將不再成為系統(tǒng)設(shè)計的障礙。另一方面，硬件本身的自我重構(gòu)能力對于那些在復(fù)雜多變的環(huán)境，特別是人不能直接參與的環(huán)境工作的系統(tǒng)來說將帶來極大的影響。因此可進化硬件的研究將會進一步深入并會得到廣泛的應(yīng)用而造福人類。
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