數(shù)字電路在線進(jìn)化設(shè)計(jì)的研究

摘 要：本文探討了可在不良情況下可靠高效運(yùn)行的電路系統(tǒng)，概述了EHW的定義與內(nèi)涵，分析了EHW的工作原理，詳細(xì)闡述了數(shù)字電路的在線進(jìn)化設(shè)計(jì)方法與過程。驗(yàn)證了演化硬件理論的有效性以及演化算法的收斂性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；遺傳算法；在線進(jìn)化；可編程芯片

0 引言

當(dāng)在高溫、深海、航天以及強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，超大規(guī)模集成電路（VLSI）由于受到不良因素的影響，極易引起局部電路受損，從而導(dǎo)致全局電路系統(tǒng)性故障。而在這些特殊環(huán)境中，無法實(shí)現(xiàn)人工直接修復(fù)，因此無法采用的傳統(tǒng)的板級(jí)重構(gòu)技術(shù)進(jìn)行自修復(fù)，此時(shí)必須考慮提高VLSI本身的容錯(cuò)性能，并提高系統(tǒng)的故障自我恢復(fù)能力，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的性能與可靠性。本文擬采用演化硬件技術(shù)（EHW）設(shè)計(jì)一種全新的硬件電路。EHW是一種容錯(cuò)性能良好的新興邏輯電路設(shè)計(jì)算法，基于此技術(shù)的集成電路系統(tǒng)可據(jù)自身的故障特點(diǎn)以及物理性質(zhì)等參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部的電路構(gòu)造，從而實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)的自我修復(fù)，減小外界因素造成的不良影響，充分保證電路系統(tǒng)的有效性和可靠性。演化硬件技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)高溫、強(qiáng)干擾、高負(fù)荷等惡劣環(huán)境有著很好的適應(yīng)性，可在軍事、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

1 演化硬件的基本原理

基于演化硬件（BHW）技術(shù)的電路系統(tǒng)可根據(jù)工作參數(shù)（如溫度、輻射強(qiáng)度等參數(shù)）的變更而實(shí)時(shí)自主調(diào)整電路機(jī)構(gòu)及相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，從而獲得可適應(yīng)對(duì)應(yīng)環(huán)境的電路，這種類型的電路具有類似于生物的自修復(fù)、自適應(yīng)以及自組織功能，所以也叫做仿生硬件。演化硬件的定義可用如下公式來表示：演化硬件=可編程邏輯原件+演化算法（EHW= PLDs + EAs）?？删幊碳呻娐窌r(shí)演化硬件技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而演化算法這是理論與方法等軟件基礎(chǔ)。

1.1 演化算法

EHW的核心理念是采用遺傳算法對(duì)那些可以進(jìn)行重新配置的硬件設(shè)施進(jìn)行重配優(yōu)化。遺傳算法的基本思想是進(jìn)化論中的自然選擇、優(yōu)勝劣汰、物種遺傳以及適者生存法則等。首先生成一組待優(yōu)化的潛在可能解，然后經(jīng)過交叉、變異、篩選等一些列過程，逐漸進(jìn)化得到最優(yōu)解。然而交叉、變異、篩選等進(jìn)化過程具有一定的隨機(jī)性，可能在進(jìn)化過程中損害適應(yīng)度最好的個(gè)體，從而降低了種群的平均適應(yīng)度，因此進(jìn)化過程中應(yīng)當(dāng)保留適應(yīng)度最好的個(gè)體，從而提高算法的收斂速度。本文的EHW算法采用最優(yōu)模型保留算法，父代中適應(yīng)度最強(qiáng)的個(gè)體不參與交叉變異等進(jìn)化過程，而是自己保留到子代中替換子代中適應(yīng)度最低的個(gè)體。該算法的具體步驟如下：

（1）對(duì)當(dāng)前種群進(jìn)行遍歷搜索，查找出種群中適應(yīng)度最高和最低的個(gè)體；

（2）若步驟（1）中查找得到的適應(yīng)度最佳個(gè)體比歷代最佳個(gè)體的適應(yīng)度高，則將該特體作為新的歷代最佳個(gè)體；

（3）將歷代最佳個(gè)體替換掉當(dāng)前種群中的最差個(gè)體。

最優(yōu)模型保留算法的程序流程圖如下：

1.2 EHW的實(shí)現(xiàn)步驟

EHW的基本思想是將可編程邏輯原件的結(jié)構(gòu)位串作為遺傳算法中的進(jìn)化染色體，在進(jìn)化過程中不斷自適應(yīng)調(diào)整得到滿足環(huán)境參數(shù)和性能的最優(yōu)電路結(jié)構(gòu)。其實(shí)現(xiàn)過程主要包括以下幾個(gè)步驟：（1）選擇編碼模式，即確定優(yōu)化算法求解問題，此處為電路結(jié)構(gòu)求解問題，電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化求解通常不是直接作用在解空間而是對(duì)問題解的一種編碼表示；（2）根據(jù)電路系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境及性能要求確定電路系統(tǒng)的測(cè)試響應(yīng)、性能指標(biāo)參數(shù)。電路測(cè)試評(píng)估方法包括在線實(shí)時(shí)測(cè)試以及基于電路數(shù)學(xué)的數(shù)字仿真兩種；（3）確定合適的進(jìn)化算法，選取種群個(gè)體的適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)、算子操作算法及算法結(jié)束條件等進(jìn)化參數(shù)；（4）采用硬件或計(jì)算機(jī)編程方法實(shí)現(xiàn)進(jìn)化算法。

EHW分為外部演化硬件和內(nèi)部演化硬件兩種方法，具體見圖2。外部演化方式指的是對(duì)電子器件進(jìn)行分析建模，將對(duì)應(yīng)電路結(jié)構(gòu)的元件配置為作為遺傳算法的進(jìn)化染色體，并通過模型進(jìn)行優(yōu)化處理，得到理想的預(yù)期目標(biāo)，然后將優(yōu)化后的染色體下載至硬件中進(jìn)行器件重構(gòu)。而內(nèi)部演化方式是對(duì)每一代種群中的每一個(gè)個(gè)體均下載至硬件中，然后依據(jù)一定的準(zhǔn)則對(duì)這些電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評(píng)判，并篩選出最優(yōu)的電路結(jié)構(gòu)，這對(duì)電路硬件的快速重構(gòu)能力提出了很高的要求。

2 結(jié)束語

演化硬件技術(shù)是一種新興的電路優(yōu)化方案，為VLSI系統(tǒng)優(yōu)化提供了一種快速有效的方法，具有良好的應(yīng)用前景。本文基于基礎(chǔ)的數(shù)字電路分析了電路的進(jìn)化設(shè)計(jì)步驟，并驗(yàn)證了演化算法的良好收斂性以及該方法的可行性，分析發(fā)現(xiàn)基于EHW技術(shù)的電路系統(tǒng)可適應(yīng)高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境。在今后相關(guān)的研究工作中，染色體進(jìn)化規(guī)模是一個(gè)重點(diǎn)方向，即如何確定進(jìn)化模型與改進(jìn)遺傳算法，從而達(dá)到提高電路的在線進(jìn)化效率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。電子學(xué)與演化算法的融合為硬件自動(dòng)化設(shè)計(jì)、電路自修復(fù)與自適應(yīng)創(chuàng)造了全新的方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳會(huì)叢，學(xué)軍，趙強(qiáng)，原亮，劉尚合.外部型數(shù)字電路進(jìn)化設(shè)計(jì)研究[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2007（02）：150-153.

[2]張耀鐳，王友仁.復(fù)雜數(shù)字電路多級(jí)在線進(jìn)化技術(shù)研究[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2007（11）：2066-2069.

[3]平建軍，王友仁，高桂軍，孔德明，姚睿，張砦.數(shù)字演化硬件的函數(shù)級(jí)在線進(jìn)化技術(shù)研究[J].高技術(shù)通訊，2009（01）：61-65.

[4]黃三傲，王友仁，姚睿，顧凡一，張砦，崔江.數(shù)字系統(tǒng)硬件在線進(jìn)化技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2005（10）：110-111，122.

[5]劉俊輝，李娜.基于數(shù)字電路進(jìn)化設(shè)計(jì)算法研究[J].鄭州牧業(yè)工程高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2014（03）：36-39.

作者簡(jiǎn)介：容濤濤（1986-），男，陜西寶雞人，碩士，助教，主要研究方向：集成電路設(shè)計(jì)。