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基于生物學的電子電路設計
摘要：介紹了可進化硬件的機理和相關技術，著重闡述了一種基于進化論中遺傳算法的大規(guī)模電子電路設計方法，分析了如何通過可進化硬件的機理來實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的高容錯性設計。介紹了進化電子電路設計的設計架構(gòu)及基本設計步驟?實現(xiàn)進化電子電路設計的設計環(huán)境。展望了基于可進化硬件思想的電子電路設計的發(fā)展前景。關鍵詞：可進化硬件 遺傳算法 電子電路設計 現(xiàn)場可編程門陣列
在人類的科學研究中，有不少研究成果得益于大自然的啟發(fā)，例如仿生學技術。隨著計算機技術和電子技術的發(fā)展，許多的科學研究越來越與生物學緊密相聯(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)，科學家們提出了基于生物學的電子電路設計技術，將進化理論的方法應用于電子電路的設計中，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、免疫、自我進化及自我復制等特性,用來實現(xiàn)高適應、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的機理及其相關技術并根據(jù)這種機理對高可靠性電子電路的設計進行討論。
１ ＥＨＷ的機理及相關技術
計算機系統(tǒng)所要求解決的問題日趨復雜，與此同時，計算機系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)也越來越復雜。而復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能力。對于如何同時實現(xiàn)系統(tǒng)的復雜性和可靠性，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)來使電路適應這種變化而繼續(xù)正常工作。嚴格地說，ＥＨＷ具有兩個方面的目的，一方面是把進化算法應用于電子電路的設計中；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)在線適應變化的能力。前者強調(diào)的是進化算法在電子設計中可替代傳統(tǒng)基于規(guī)范的設計方法；后者強調(diào)的是硬件的可適應機理。當然二者的區(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知識，并以數(shù)字電路為例介紹可進化硬件設計方法。
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，它們都是假設解。然后把這些假設解置于問題的“環(huán)境”中，根據(jù)適應值或某種競爭機制選擇個體（適應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中的程序來設置其工作狀態(tài)，工作時需要對片內(nèi)的ＲＡＭ進行編程。當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系。掉電后，ＦＰＧＡ恢復成白片，內(nèi)部邏輯關系消失，因此，ＦＰＧＡ能夠反復使用，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 進化電子電路設計架構(gòu)
本節(jié)以設計高容錯性的數(shù)字電路設計為例來闡述ＥＨＷ的設計架構(gòu)及主要設計步驟。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，如硬件故障導致的錯誤，設計要求和規(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，當這些變化發(fā)生時，個體的適應度會作相應的改變。當進化進行時，個體會適應這些變化重新獲得高的適應度�；谶M化論的電子電路設計就是利用這種原理,通過對設計結(jié)果進行多次地進化來提高其適應變化的能力。
電子電路進化設計架構(gòu)如圖１所示。圖中給出了電子電路的設計的兩種進化，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，當然通過外部進化得到的最終設計結(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。整個進化設計包括以下步驟：
（１）根據(jù)設計的目的，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，而不會導致器件的損害。
（２）將設計結(jié)果與目標要求進行比較，并用某種誤差表示作為描述系統(tǒng)適應度的衡量準則。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）重復上述步驟，產(chǎn)生新的數(shù)代個體，直到新的個體表示的設計方案表現(xiàn)出接近要求的適應能力為止。
一般來說通過遺傳算法最后會得到一個或數(shù)個設計結(jié)果，最后設計方案具有對設計要求和系統(tǒng)工作環(huán)境的最佳適應性。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。
進化電子電路設計中，最關鍵的是遺傳算法的應用。在遺傳算法的應用過程中，變異因子的確定是需要慎重考慮的，它的大小既關系到個體變異的程度，也關系到個體對環(huán)境變化做出反應的能力，而這兩個因素相互抵觸。變異因子越大，個體更容易適應環(huán)境變化，對系統(tǒng)出現(xiàn)的錯誤做出快速反應，但個體更容易發(fā)生突變。而變異因子較小時，系統(tǒng)的反應力變差，但系統(tǒng)一旦獲得高適應度的設計方案時可以保持穩(wěn)定。
對于可進化數(shù)字電路的設計，可以在兩個層面上進行。一個是在基本的“與”、“或”、“非”門的基礎上進行進化設計，一個是在功能塊如觸發(fā)器、加法器和多路選擇器的基礎上進行。前一種方法更為靈活，而后一種更適于工業(yè)應用。有人提出了一種基于進化細胞機（Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ａｕｔｏｍａｔｏｎ）的神經(jīng)網(wǎng)絡模塊設計架構(gòu)。采用這一結(jié)構(gòu)設計時，只需要定義整個模塊的適應度，而對于每一模塊如何實現(xiàn)它復雜的功能可以不予理睬，對于超大規(guī)模線路的設計可以采用這一方法來將電路進行整體優(yōu)化設計。
３ 可進化電路設計環(huán)境
上面描述的軟硬件進化電子電路設計可在圖２所示的設計系統(tǒng)環(huán)境下進行。這一設計系統(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)硬件上的進化設計很有用處。該設計系統(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，通過相應軟件來評估設計結(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、人工智能工程以及胚胎學都可以應用到可進化系統(tǒng)中。雖然目前設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計方法將不可避免的取代傳統(tǒng)的自頂向下設計方法，系統(tǒng)的復雜性將不再成為系統(tǒng)設計的障礙。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用而造福人類。
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