Введение

Эволюционное оборудование (EH) – это область, специализирующаяся на использовании эволюционных алгоритмов (EA) для создания специализированной электроники без ручного проектирования. Оно объединяет реконфигурируемое оборудование, эволюционные вычисления, устойчивость к сбоям и автономные системы. Эволюционное оборудование – это оборудование, способное динамически и автономно изменять свою архитектуру и поведение, взаимодействуя с окружающей средой.

Введение

В своей самой фундаментальной форме эволюционный алгоритм оперирует популяцией индивидуумов, где каждый индивидуум описывает способ создания схемы-кандидата. Каждой схеме присваивается оценка пригодности, указывающая, насколько хорошо схема-кандидат соответствует требованиям технического задания. Эволюционный алгоритм использует стохастические операторы для получения новых конфигураций схем из существующих. При правильной реализации со временем эволюционный алгоритм создаст конфигурацию схемы, демонстрирующую желаемое поведение. Каждая схема-кандидат может быть либо смоделирована, либо физически реализована на переконфигурируемом устройстве. Типичными переконфигурируемыми устройствами являются полевые программируемые вентильные матрицы (для цифровых схем) или полевые программируемые аналоговые матрицы (для аналоговых схем). На более низком уровне абстракции находятся полевые программируемые транзисторные матрицы, способные реализовывать как цифровые, так и аналоговые схемы. Эта концепция была впервые разработана Адрианом Томпсоном в Университете Сассекса (Англия), который в 1996 году использовал ПЛИС (FPGA) для создания тонального дискриминатора, состоящего менее чем из 40 программируемых логических элементов и не требующего тактового сигнала. Это исключительно компактная схема для такого устройства, которая основывалась на использовании особенностей аппаратного обеспечения, обычно избегаемых инженерами. Например, одна группа элементов не имеет логической связи с остальной частью схемы, но является критически важной для ее функционирования.

Мотивация

Во многих случаях для проектирования схемы можно использовать традиционные методы проектирования (формулы и т.д.). Однако в других случаях спецификация не содержит достаточной информации для применения традиционных методов проектирования. Например, спецификация может описывать только желаемое поведение целевого устройства. В других случаях существующая схема должна адаптироваться, то есть изменять свою конфигурацию, чтобы компенсировать неисправности или, возможно, изменяющиеся условия эксплуатации. Например, глубококосмические зонды могут столкнуться с внезапным воздействием сильного излучения, которое изменяет характеристики схемы; схема должна самоадаптироваться, чтобы восстановить максимально возможное исходное поведение.

Будущие направления исследований

Развивающиеся аппаратные проблемы делятся на две категории: первоначальное проектирование и адаптивные системы. Первоначальное проектирование использует эволюционные алгоритмы для создания системы, соответствующей заданным требованиям. Адаптивные системы переконфигурируют существующую конструкцию для компенсации неисправностей или изменившихся условий эксплуатации. Первоначальное проектирование цифровых систем не представляет большого интереса, поскольку промышленность уже способна синтезировать чрезвычайно сложные схемы. Например, можно приобрести ядра интеллектуальной собственности для синтеза схем USB-портов, микроконтроллеров Ethernet и даже целых RISC-процессоров. Некоторые исследования в области первоначального проектирования все еще дают полезные результаты, например, генетические алгоритмы использовались для разработки логических систем со встроенным обнаружением ошибок, которые превосходят разработанные вручную аналоги. Первоначальное проектирование аналоговых схем по-прежнему является широкой областью исследований. Действительно, индустрия аналогового проектирования значительно менее развита, чем индустрия цифрового проектирования. Адаптивные системы являются и остаются областью интенсивных исследований.