胚胎電子系統(tǒng)及其故障自檢測自修復(fù)研究*

彭禮彪，鄧永利，帥萍，畢東杰，李西峰，謝永樂

（1.電子科技大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 611731；2.北京航空工程技術(shù)研究中心 北京 100076）

0 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，復(fù)雜化、高度集成和智能化成為現(xiàn)在裝備電子系統(tǒng)最顯著特點(diǎn)。然而復(fù)雜度和集成度的提高也給電子系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)帶來了巨大挑戰(zhàn)。尤其在航空航天，深水探測等極端應(yīng)用領(lǐng)域中，電子系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜多變，電子系統(tǒng)故障率高且難以預(yù)測，裝備一旦發(fā)生故障，難以進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)。此時(shí)高可靠性和適應(yīng)性對(duì)這種電子系統(tǒng)具有壓倒性的重要地位，這時(shí)賦予電子系統(tǒng)故障自檢測自修復(fù)能力將極大地提高電子裝備的可靠性和可用性，復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境中電子系統(tǒng)的高可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)是一個(gè)亟待持續(xù)深入研究的重要話題。

在提高裝備電子系統(tǒng)可靠性方面，避錯(cuò)與容錯(cuò)是常用的兩種關(guān)鍵技術(shù)。避錯(cuò)技術(shù)通常采用高質(zhì)量結(jié)構(gòu)材料及正確設(shè)計(jì)方法盡量避免故障發(fā)生。但無論采用何種制造技術(shù)，都無法完全避免故障的發(fā)生。并且利用避錯(cuò)技術(shù)來提高系統(tǒng)的可靠性的同時(shí)也會(huì)帶來裝備制造成本急劇上升。容錯(cuò)技術(shù)是進(jìn)一步提高裝備系統(tǒng)可靠性關(guān)鍵，它能夠在系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障的情況下由系統(tǒng)自發(fā)采取相應(yīng)措施，在一定的性能指標(biāo)下繼續(xù)維持系統(tǒng)可靠運(yùn)行。隨著技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)電子系統(tǒng)可靠性、安全性更苛刻的需求，傳統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)已不能充分適應(yīng)日益苛刻的可靠性現(xiàn)實(shí)需求。

20 世紀(jì)90 年代，瑞士聯(lián)邦工學(xué)院在生物細(xì)胞強(qiáng)大的適應(yīng)性和自愈能力的啟發(fā)下提出了仿生硬件的概念[1]，將生命體的自適應(yīng)和自修復(fù)機(jī)制引入到電子系統(tǒng)中，使電子系統(tǒng)具有類似的仿生功能。胚胎電子系統(tǒng)是通過模擬生物細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)和生長分裂機(jī)制來設(shè)計(jì)的一種新型仿生硬件系統(tǒng)，其通常是由多個(gè)電子細(xì)胞按一定規(guī)則連接而成的胚胎電子細(xì)胞陣列構(gòu)成[2]。胚胎電子細(xì)胞陣列首先將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)功能模塊，并將功能模塊映射到每一個(gè)電子細(xì)胞當(dāng)中，胚胎電子細(xì)胞陣列在所有分化細(xì)胞協(xié)同運(yùn)作下共同執(zhí)行系統(tǒng)的特定任務(wù)。電子細(xì)胞內(nèi)的故障檢測模塊實(shí)時(shí)檢測電子細(xì)胞工作狀態(tài)，當(dāng)檢測到陣列中某一細(xì)胞單元異常時(shí)，故障檢測模塊向控制模塊發(fā)出特定的故障標(biāo)志信號(hào)，控制模塊調(diào)用相應(yīng)的修復(fù)策略對(duì)故障單元進(jìn)行隔離和修復(fù)，或重新配置剩余空閑細(xì)胞功能來取代故障細(xì)胞，從而保持系統(tǒng)整體功能的正常運(yùn)行。

由于胚胎電子系統(tǒng)具有自組織、自檢測和自修復(fù)的優(yōu)良特性，其在航空航天、深水探測、無人機(jī)和軍用裝備等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用前景。近年來，關(guān)于胚胎電子系統(tǒng)的研究主要圍繞胚胎陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路功能的分化設(shè)計(jì)和可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題展開，取得了豐富的成果。本文首先介紹了胚胎電子系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對(duì)目前胚胎電子系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)、自檢測技術(shù)和自修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了歸納總結(jié)，最后在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，對(duì)胚胎電子系統(tǒng)故障自檢測和自修復(fù)技術(shù)研究存在的主要問題進(jìn)行了分析，并對(duì)未來的研究方向進(jìn)行了展望。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

經(jīng)過二十多年的發(fā)展，國內(nèi)外關(guān)于胚胎電子系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展[2]。在仿生硬件概念提出后，Ortega 等人[3]首先對(duì)胚胎電子系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出了經(jīng)典二維胚胎電子細(xì)胞陣列結(jié)構(gòu)。在二維胚胎電子細(xì)胞陣列基礎(chǔ)上，Tyrrell 教授等人設(shè)計(jì)出蜂窩結(jié)構(gòu)[4]和開關(guān)型結(jié)構(gòu)[5]的胚胎電子細(xì)胞陣列，進(jìn)一步豐富了細(xì)胞間的連接方式。李丹陽等人又在開關(guān)型陣列的基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)出了簇結(jié)構(gòu)的胚胎電子細(xì)胞陣列[6]。Greensted 等人[7]提出總線結(jié)構(gòu)的胚胎電子細(xì)胞陣列結(jié)構(gòu)，對(duì)電子細(xì)胞間的連接進(jìn)行了簡化，提高了系統(tǒng)通信效率。Boesen 等人在總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又提出了基于NoC 的e-DNA 結(jié)構(gòu)胚胎電子細(xì)胞陣列[8]，增強(qiáng)了大規(guī)模電路系統(tǒng)的通信能力。Samie 等人[9]則受原核細(xì)胞生長發(fā)育啟發(fā)，提出了原核型胚胎電子系統(tǒng)（Unitronic），該系統(tǒng)采用異構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)，由不同類型的電子細(xì)胞組成，這種結(jié)構(gòu)能夠針對(duì)某些特殊需求設(shè)計(jì)電子細(xì)胞，從而更有效地節(jié)約硬件資源。

在胚胎電子系統(tǒng)故障自檢測方面，目前主要設(shè)計(jì)思路有以下三個(gè)方面。一是針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部特定模塊如細(xì)胞功能模塊、存儲(chǔ)模塊，或單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行局部檢測，該方面主要采用雙模冗余比較法，如文獻(xiàn)[10]-[15]。二是采用內(nèi)建自檢測BIST(Built-In Self-Test) 設(shè)計(jì)方法，在胚胎陣列內(nèi)或者細(xì)胞單元內(nèi)設(shè)計(jì)自檢測電路。例如文獻(xiàn)[16]-[17]中采用了具有自檢測電路的原核電子細(xì)胞陣列結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自檢測。文獻(xiàn)[18]則充分利用胚胎電子系統(tǒng)可重構(gòu)特性提出了一種Roving STARs 自檢測方法。三是基于編碼的故障檢測方式，通過對(duì)胚胎電子系統(tǒng)模塊的輸出進(jìn)行編碼并建立碼字空間來進(jìn)行檢測，主要編碼方式有Hamming 碼[19-20]、剩余碼和Berger 碼[21]等。

在胚胎電子系統(tǒng)故障自修復(fù)方面，Xu 等人[22]設(shè)計(jì)了一種基于可重構(gòu)技術(shù)的自適應(yīng)多細(xì)胞陣列eTissue，實(shí)現(xiàn)了基于重構(gòu)的胚胎電子細(xì)胞陣列的自修復(fù)。Wang 等人[23]采用了一種多層結(jié)構(gòu)對(duì)胚胎電子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)有單層細(xì)胞陣列設(shè)計(jì)的布局布線進(jìn)行了優(yōu)化，簡化了電路實(shí)現(xiàn)和故障自修復(fù)實(shí)現(xiàn)的流程。國防科技大學(xué)基于內(nèi)分泌系統(tǒng)中細(xì)胞兩兩通信的特點(diǎn)，研究了只需故障細(xì)胞和空閑細(xì)胞參與的內(nèi)分泌仿生自修復(fù)機(jī)制，自修復(fù)過程只改變空閑細(xì)胞的配置信息，有效提高了自修復(fù)效率[24]。王敏等人[25]對(duì)三維可重構(gòu)陣列的互連資源在線分布方式、容錯(cuò)方法進(jìn)行了研究。通過在線輸入測試向量對(duì)互連線進(jìn)行故障定位,并且實(shí)現(xiàn)了分層連線故障自修復(fù)。朱賽等人[26]提出了一種具有進(jìn)化能力的層次化胚胎電子細(xì)胞陣列設(shè)計(jì)方式，將系統(tǒng)分為功能層、修復(fù)層和進(jìn)化層三個(gè)層次，并提出了一種基于移除-進(jìn)化的混合自修復(fù)策略，進(jìn)一步提高了胚胎電子系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。雖然各種自修復(fù)策略在形式上存在差異，但其本質(zhì)都是通過重構(gòu)技術(shù)改變電路結(jié)構(gòu)，隔離故障細(xì)胞，采用空閑細(xì)胞替代故障細(xì)胞的方式恢復(fù)胚胎電子陣列的功能，實(shí)現(xiàn)故障容錯(cuò)。

在應(yīng)用方面，由于大規(guī)模復(fù)雜功能電路實(shí)現(xiàn)困難，目前關(guān)于胚胎電子系統(tǒng)的應(yīng)用主要在于一些簡單功能或小型設(shè)備上。如瑞士聯(lián)邦工學(xué)院研究出了具有自修復(fù)、自復(fù)制特性的多層次生物啟發(fā)式硬件BioWatch[27]和BioWall[28]。英國約克大學(xué)完成了RISA 仿生結(jié)構(gòu)芯片設(shè)計(jì)[29]，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)應(yīng)用下的快速重配置仿生硬件。此外基于原核電子細(xì)胞模型，設(shè)計(jì)了SABRE 結(jié)構(gòu)胚胎電子系統(tǒng)，基于該結(jié)構(gòu)理論實(shí)現(xiàn)了避障機(jī)器人控制[16]。歐共體資助可重構(gòu)POEtic 組織項(xiàng)目電子細(xì)胞Ubicell，研發(fā)了 Ubichip 芯片、Ubidule 平臺(tái)及相應(yīng)的管理軟件UbiManager[30]，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了Marxbot 機(jī)器人平臺(tái)[31]。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)采用胚胎電子細(xì)胞陣列進(jìn)行了可重構(gòu)FRI 濾波器的設(shè)計(jì)[32]。軍械工程學(xué)院設(shè)計(jì)了用于胚胎陣列的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為胚胎電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究提供了硬件實(shí)驗(yàn)條件[33]。

2 胚胎電子系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2.1 胚胎電子細(xì)胞

類似于生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，典型胚胎電子細(xì)胞的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。每個(gè)電子細(xì)胞主要分為四大模塊：輸入輸出模塊、配置存儲(chǔ)模塊、控制模塊及功能模塊。輸入輸出模塊對(duì)應(yīng)于生物細(xì)胞的細(xì)胞膜，實(shí)現(xiàn)電子細(xì)胞之間的連接通信。配置存儲(chǔ)模塊對(duì)應(yīng)于生物細(xì)胞的細(xì)胞核，主要存儲(chǔ)電子細(xì)胞自身功能的配置信息及細(xì)胞自修復(fù)過程中所需的配置信息?？刂颇K相當(dāng)于生物細(xì)胞的核糖體，主要控制實(shí)現(xiàn)電子細(xì)胞陣列的自組織、故障隔離和自修復(fù)。功能模塊則對(duì)應(yīng)于生物細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)，實(shí)現(xiàn)電子細(xì)胞的預(yù)期功能。

胚胎電子細(xì)胞根據(jù)其模塊組成的復(fù)雜度和大小分為細(xì)粒度電子細(xì)胞和粗粒度電子細(xì)胞[34]。在細(xì)粒度電子細(xì)胞中，其控制模塊可以是簡單的有限狀態(tài)機(jī)，而其功能模塊可以由許多小型通用可編程邏輯結(jié)構(gòu) (如邏輯門、查詢表和多路選擇器)組成。典型的細(xì)粒度電子細(xì)胞如 Unitronic[9]、Embryonics[10]、HSRA[11]、RISA[29]、POEtic[30]和PAnDA[35]。粗粒度電子細(xì)胞其控制模塊通常由CPU構(gòu)成，而其功能模塊則包含一些大型的特殊用途資源(例如算術(shù)邏輯單元)，或者可以是一整個(gè)可編程邏輯器件（如FPGA）。細(xì)粒度電子細(xì)胞的代表有eDNA、eTissue、SANE、MACROS 和MCarray 等。一個(gè)復(fù)雜的功能可以通過大量細(xì)粒度的電子細(xì)胞或者少量粗粒度的電子細(xì)胞來實(shí)現(xiàn)。細(xì)粒度的電子細(xì)胞具有較高的容錯(cuò)能力，能夠更精確地定位故障，但是會(huì)帶來更多的資源開銷。粗粒度電子細(xì)胞的故障容錯(cuò)能力相對(duì)較低，然而對(duì)復(fù)雜算法的處理能力更強(qiáng)，適合處理更復(fù)雜的任務(wù)，額外資源開銷較低。

2.2 胚胎電子細(xì)胞陣列

胚胎電子細(xì)胞通常按一定規(guī)則連接形成胚胎電子細(xì)胞陣列來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的特定功能。胚胎電子細(xì)胞陣列從組織形式上可分為同構(gòu)陣列和異構(gòu)陣列。一種典型的同構(gòu)陣列如圖2 所示。同構(gòu)陣列中，所有電子細(xì)胞都是相同的，并按一定模式排列。同構(gòu)陣列具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，目前大多數(shù)胚胎電子系統(tǒng)都采用這種結(jié)構(gòu)。而異構(gòu)陣列則由不同類型的電子細(xì)胞組成，這種結(jié)構(gòu)能夠針對(duì)某些特殊需求設(shè)計(jì)電子細(xì)胞，從而更有效地節(jié)約資源。一種異構(gòu)類胚胎電子細(xì)胞陣列如圖3 所示，該細(xì)胞陣列由兩種不同類型的細(xì)胞組成:位于中間的功能細(xì)胞和位于外圍的I/O 細(xì)胞。這些電子細(xì)胞分別用于實(shí)現(xiàn)特定的功能和提供信號(hào)切換。

胚胎電子細(xì)胞陣列按連接方式又可分為網(wǎng)格型、交叉開關(guān)型、總線型和這幾種方式的混合型。網(wǎng)格型是最基本的電子細(xì)胞連接類型。網(wǎng)格型胚胎電子細(xì)胞陣列將電子細(xì)胞排列在一個(gè)矩形網(wǎng)格上，并與相鄰細(xì)胞直接相連，如圖2 所示。交叉開關(guān)型陣列在網(wǎng)格型陣列的基礎(chǔ)上添加了額外的開關(guān)路由資源。如圖4 所示，這種結(jié)構(gòu)使得電子細(xì)胞可以通過一組交叉開關(guān)與非相鄰單元進(jìn)行信息傳遞，增強(qiáng)了細(xì)胞陣列的通信能力?？偩€型陣列如圖3 所示?？偩€型陣列通過總線連接所有電子細(xì)胞，為所有電子細(xì)胞提供公共通信通道，支持靈活路由算法規(guī)則下的分組數(shù)據(jù)傳輸?；旌闲蛣t是幾種基本類型的組合，比如Soto 等人提出的SANE 結(jié)構(gòu)中，將胚胎電子系統(tǒng)分割為兩層，底層采用網(wǎng)格型陣列結(jié)構(gòu)以增加連接密度，頂層采用交叉開關(guān)型陣列結(jié)構(gòu)以建立豐富的通信連接。表1 中列出了一些典型胚胎電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)比。

表1 典型胚胎電子系統(tǒng)對(duì)比

3 胚胎電子系統(tǒng)故障自檢測關(guān)鍵技術(shù)

胚胎電子系統(tǒng)故障自檢測即當(dāng)系統(tǒng)局部出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)通過內(nèi)部檢測機(jī)制發(fā)現(xiàn)并定位故障，同時(shí)將故障標(biāo)志信號(hào)傳遞給控制模塊的過程。故障自檢測是電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自修復(fù)的前提條件。目前，胚胎電子系統(tǒng)故障自檢測主要是將已有的數(shù)字電路在線實(shí)時(shí)自檢測技術(shù)應(yīng)用于胚胎電路。目前主要采用的故障檢測關(guān)鍵技術(shù)有基于雙模冗余的故障自檢測、內(nèi)建自測試(BIST)和故障編碼檢測。

3.1 基于雙模冗余的故障自檢測

基于雙模冗余的故障自檢測是目前胚胎電子系統(tǒng)普遍采用也最基本的一種故障自檢測方案。其核心思想是為工作模塊復(fù)制一個(gè)功能相同的冗余模塊，故障檢測單元對(duì)兩個(gè)模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)兩者輸出不同時(shí)，則表明故障發(fā)生，并將故障標(biāo)志傳遞給控制模塊進(jìn)行故障修復(fù)。雙模冗余故障自檢測從粒度上也可分為細(xì)粒度雙模冗余和粗粒度雙模冗余。細(xì)粒度雙模冗余故障自檢測主要正對(duì)電子細(xì)胞局部如配置存儲(chǔ)模塊、功能模塊等進(jìn)行檢測。而粗粒度雙模冗余故障自檢測主要對(duì)一群電子細(xì)胞所組成的功能電路進(jìn)行檢測，如圖5 所示。圖中工作細(xì)胞用深色表示，構(gòu)成電子細(xì)胞陣列的功能電路，輸出系統(tǒng)運(yùn)行的功能信號(hào)。而淺色電子細(xì)胞為冗余細(xì)胞，被配置成為雙模冗余電路和故障檢測器，當(dāng)檢測故障發(fā)生時(shí)輸出故障信號(hào)。白色電子細(xì)胞則是其余未被利用的空閑細(xì)胞。

雙模冗余故障自檢測技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于故障覆蓋率高、支持實(shí)時(shí)檢測、適用范圍廣、對(duì)待測電路沒有特殊限制、與陣列結(jié)構(gòu)無關(guān)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、設(shè)計(jì)難度低。但同時(shí)雙模冗余故障自檢測也存在一些不足，一是其資源消耗大，需要占用額外兩倍以上硬件資源，粗粒度雙模冗余還受陣列內(nèi)空閑細(xì)胞數(shù)目限制；二是由于冗余電路可能導(dǎo)致故障虛警率提高；三是粗粒度雙模冗余難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)故障定位。

3.2 BIST 內(nèi)建自測試

BIST（Build-in Self-test）內(nèi)建自測試技術(shù)是在電子細(xì)胞或者芯片中加入自測試電路，如圖6 所示，檢測時(shí)通過測試向量發(fā)生器向被測電路施加測試向量，同時(shí)通過輸出響應(yīng)分析器對(duì)被測電路的輸出進(jìn)行分析。內(nèi)建自測試技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的故障覆蓋率，在電路實(shí)現(xiàn)上相對(duì)于雙模冗余檢測能夠減小額外的硬件資源消耗，然而該檢測方案主要針對(duì)空閑狀態(tài)或間歇狀態(tài)下的電子系統(tǒng)進(jìn)行檢測，難以在工作狀態(tài)下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，對(duì)系統(tǒng)的瞬態(tài)故障難以檢測。

文獻(xiàn)［18］ 提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)在線自檢測的方法Roving STARs。該方法通過不斷地循環(huán)配置，選定陣列中一塊區(qū)域的電子細(xì)胞為測試電路，并將其配置成為由測試向量發(fā)生器、輸出響應(yīng)分析器和被測電路構(gòu)成的BIST 結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電子細(xì)胞陣列的在線故障檢測。該方案充分利用了電子細(xì)胞陣列的可重構(gòu)特性，能有效地提高故障的檢測能力、減低硬件資源消耗，但是該方案需要不斷地對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重配置，對(duì)電路性能影響較大、對(duì)重構(gòu)控制單元設(shè)計(jì)要求嚴(yán)苛。

3.3 故障編碼檢測

胚胎電子細(xì)胞的輸出可以看作其輸入的函數(shù)，當(dāng)電子細(xì)胞的配置信息確定后，每個(gè)輸入將有唯一輸出與之對(duì)應(yīng) 。因此可以建立輸入輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，將胚胎電子細(xì)胞功能模塊轉(zhuǎn)化為等價(jià)運(yùn)算電路，通過比較經(jīng)過等價(jià)運(yùn)算電路輸出的校驗(yàn)信息與胚胎電子細(xì)胞輸出的校驗(yàn)信息的一致性完成對(duì)于胚胎電子細(xì)胞的檢測。圖7 所示是一種剩余碼和berger 碼聯(lián)合編碼自檢電路結(jié)構(gòu)。該方案將模塊輸出端分為輸入信號(hào)轉(zhuǎn)接輸出端和功能信號(hào)輸出端，并根據(jù)輸出不同分別對(duì)輸入進(jìn)行處理，建立等價(jià)運(yùn)算。故障編碼檢測不需外加激勵(lì)，檢測實(shí)時(shí)性較好，可以同時(shí)對(duì)固定型故障和瞬態(tài)故障進(jìn)行檢測，資源消耗小，但電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。

4 胚胎電子系統(tǒng)故障自修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)

胚胎電子系統(tǒng)常見故障按類型可分為硬故障和軟故障。硬故障通常是指高溫、高壓和強(qiáng)輻射所引起的開路、短路、無功能或者性能退化等永久性故障。而軟故障則通常指由空間輻射引起的部分單粒子效應(yīng)，其顯著特點(diǎn)就是這類故障不會(huì)對(duì)電路元件本身造成損傷。胚胎電子系統(tǒng)作為一種可編程硬件系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)為胚胎電子細(xì)胞故障自修復(fù)的實(shí)現(xiàn)提供了硬件基礎(chǔ)，利用該技術(shù)，可以通過以軟件重新加載的方式來改變硬件功能，實(shí)現(xiàn)功能電路的時(shí)分復(fù)用，從而在發(fā)生故障時(shí)，通過功能模塊的切換和重新配置完成自修復(fù)。針對(duì)胚胎電子系統(tǒng)的軟故障可直接使用重構(gòu)技術(shù)對(duì)故障模塊進(jìn)行重新配置而消除軟故障的影響。而針對(duì)胚胎電子系統(tǒng)的硬故障自修復(fù)策略主要有行（列）移除自修復(fù)策略、單細(xì)胞移除自修復(fù)策略、循環(huán)移除自修復(fù)策略和移除-演化自修復(fù)策略。

4.1 行（列）移除自修復(fù)策略

行（列）移除自修復(fù)當(dāng)電子細(xì)胞陣列中檢測出某個(gè)細(xì)胞發(fā)生故障時(shí)，將該電子細(xì)胞所在行（列）的所有細(xì)胞設(shè)置為“透明”細(xì)胞，“透明”細(xì)胞不運(yùn)行任何程序功能，并用“透明”細(xì)胞鄰近行（列）的細(xì)胞取代“透明”細(xì)胞所在行列的功能，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能正常運(yùn)作。圖8 所示為行（列）移除自修過程。在行（列）移除自修復(fù)策略中，每個(gè)細(xì)胞的配置存儲(chǔ)模塊除了包含本細(xì)胞的配置信息外，還存有該細(xì)胞所在列（行）的其他所有細(xì)胞的功能配置信息，此外每個(gè)細(xì)胞都具有一個(gè)地址信息，細(xì)胞所表達(dá)的配置信息是由該細(xì)胞的地址信息決定的。行（列）移除自修復(fù)的本質(zhì)是故障細(xì)胞及其所在行（列）的所有電子細(xì)胞地址信息的移位和再表達(dá)。在圖8中，當(dāng)檢測出故障異常時(shí)，將故障細(xì)胞所在行（列）的地址信息傳遞給相鄰的行（列），由相鄰行（列）代替故障細(xì)胞所在行（列），完成其相應(yīng)功能。行（列）移除自修復(fù)策略通常用于網(wǎng)格型、交叉開關(guān)型結(jié)構(gòu)的細(xì)胞陣列。

4.2 細(xì)胞移除自修復(fù)策略

細(xì)胞移除自修復(fù)則是當(dāng)電子細(xì)胞陣列中檢測出某個(gè)細(xì)胞發(fā)生故障時(shí)，將該電子細(xì)胞設(shè)置為 “透明”細(xì)胞，該細(xì)胞不運(yùn)行任何程序功能，并調(diào)整右（左）側(cè)所有細(xì)胞功能，如果故障細(xì)胞所在行（列）沒有空閑細(xì)胞，則實(shí)施行（列）移除。圖9 所示為細(xì)胞移除自修過程。與行（列）移除自修復(fù)不同的是細(xì)胞移除自修復(fù)結(jié)構(gòu)中每個(gè)電子細(xì)胞都包含其他所有細(xì)胞的配置信息。

4.3 循環(huán)移除自修復(fù)策略

循環(huán)移除自修復(fù)策略適合總線型陣列結(jié)構(gòu)的故障自修復(fù)。如圖10 所示 循環(huán)移除自修復(fù)中所有的胚胎電子細(xì)胞按順序成鏈狀連接，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，將所有細(xì)胞的地址信息移動(dòng)一位并重新配置表達(dá)，若故障未消除則繼續(xù)循環(huán)一位，直至故障排除。該自修復(fù)策略可以在不知道故障具體位置時(shí)對(duì)胚胎電子系統(tǒng)進(jìn)行故障修復(fù)。

4.4 基于演化的故障自修復(fù)策略

行（列）移除和細(xì)胞移除自修復(fù)策略的故障自修復(fù)能力非常依賴系統(tǒng)空閑細(xì)胞的數(shù)量，當(dāng)系統(tǒng)空閑細(xì)胞數(shù)量不足時(shí)難以使用以上方法進(jìn)行故障修復(fù)。演化自修復(fù)策略通過引入演化機(jī)制來實(shí)現(xiàn)胚胎電子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自修復(fù)。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，演化自修復(fù)策略“繞開”故障細(xì)胞，通過演化算法對(duì)功能正常的細(xì)胞進(jìn)行自主重構(gòu)以修復(fù)目標(biāo)電路。文獻(xiàn)[26]合移除策略和演化策略對(duì)胚胎電子系統(tǒng)進(jìn)行故障修復(fù)。其在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)系統(tǒng)的空閑細(xì)胞數(shù)量自動(dòng)選擇修復(fù)模式，當(dāng)陣列中存在冗余行/列空閑細(xì)胞時(shí)，通過移除自修復(fù)策略對(duì)故障進(jìn)行自修復(fù);而當(dāng)陣列中空閑細(xì)胞數(shù)量不足以完成移除自修復(fù)時(shí)，通過演化算法改變目標(biāo)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行電路中故障的修復(fù)。

5 面臨的問題及未來研究方向

5.1 面臨的問題

關(guān)于胚胎電子系統(tǒng)的研究已取得了一定的理論成果，但仍有許多問題需要解決，目前胚胎電子系統(tǒng)只是在一些簡單功能和小型化設(shè)備上進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，距離實(shí)際工程應(yīng)用還存在一定距離，仍有一些瓶頸需要突破。主要面臨的問題有以下幾個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)功能分化實(shí)現(xiàn)困難。功能分化指的是系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)及模塊功能到胚胎電子細(xì)胞的映射。系統(tǒng)功能分化影響整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及胚胎電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件消耗。系統(tǒng)功能越復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能分化的難度更高，如何合理地劃分系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)模塊功能到每個(gè)胚胎細(xì)胞的映射過程，是目前胚胎電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大難題。

（2）故障檢測覆蓋率低。目前大多數(shù)故障檢測方案主要針對(duì)胚胎電子細(xì)胞的局部進(jìn)行檢測，如胚胎電子細(xì)胞的內(nèi)部邏輯功能模塊、配置存儲(chǔ)模塊和連線的故障檢測，難以實(shí)現(xiàn)故障檢測全覆蓋，尤其是控制模塊和檢測電路自身的故障檢測。

（3）胚胎電子系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)資源消耗大。相對(duì)于傳統(tǒng)電路系統(tǒng)，胚胎電子細(xì)胞除了功能模塊之外，還要額外的輸入輸出模塊、控制模塊、配置存儲(chǔ)模塊等，這必然會(huì)導(dǎo)致硬件資源的額外消耗。除此之外，胚胎電子系統(tǒng)的故障自修復(fù)依賴于空閑細(xì)胞的使用，也增加了系統(tǒng)硬件資源的消耗。

（4）實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜功能電路困難。系統(tǒng)越復(fù)雜則對(duì)胚胎電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分化設(shè)計(jì)要求越高，系統(tǒng)布局布線越復(fù)雜，同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障檢測、故障修復(fù)所需額外硬件也越多。如何合理地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分化，如何優(yōu)化布局布線，如何降低硬件資源消耗，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜功能電路應(yīng)用的關(guān)鍵。

5.2 未來研究方向

針對(duì)目前胚胎電子系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，未來的研究方向可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

（1）優(yōu)化電子細(xì)胞結(jié)構(gòu)和陣列機(jī)構(gòu)。如采用細(xì)粒度和粗粒度相結(jié)合的方式對(duì)胚胎電子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵模塊進(jìn)行細(xì)粒度設(shè)計(jì)，提高關(guān)鍵模塊的自檢測自修復(fù)能力，對(duì)系統(tǒng)次要模塊進(jìn)行粗粒度設(shè)計(jì)以減少額外資源消耗。提高單個(gè)電子細(xì)胞的功能，降低總體硬件資源消耗。

（2）模擬生物體生長發(fā)育，結(jié)合人工智能技術(shù)，將智能算法應(yīng)用于系統(tǒng)分化過程，保證系統(tǒng)功能分化的合理性。

（3）引入故障預(yù)測機(jī)制，對(duì)電路的可靠性進(jìn)行分析，并根據(jù)故障預(yù)測結(jié)果合理安排和設(shè)計(jì)故障檢測和故障修復(fù)，降低由故障檢測和故障修復(fù)帶來的額外硬件開銷。

（4）提高檢測模塊對(duì)不同結(jié)構(gòu)胚胎電子細(xì)胞的通用性，提高胚胎電路自檢測技術(shù)的故障覆蓋率。

（5）優(yōu)化胚胎陣列演化策略，提高胚胎電子細(xì)胞陣列自適應(yīng)能力?；谘莼墓收献孕迯?fù)策略能有效減低系統(tǒng)自修復(fù)過程對(duì)空閑細(xì)胞數(shù)量的要求，減少硬件資源開銷。

（6）研究更加合理的自修復(fù)策略。結(jié)合多種自修復(fù)策略對(duì)系統(tǒng)不同模塊進(jìn)行故障修復(fù)。

（7）研究大規(guī)模復(fù)雜電路的胚胎電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。利用胚胎電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電路具有重要的應(yīng)用價(jià)值，這將是未來研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。

6 結(jié)論

胚胎電子系統(tǒng)是模擬生物細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)和生長機(jī)制而設(shè)計(jì)的一種新型仿生硬件系統(tǒng)。胚胎電子系統(tǒng)的自修復(fù)機(jī)制本質(zhì)上是一種基于重構(gòu)的冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)，由于其具有良好的故障容錯(cuò)能力，其在航空航天、深水探測等復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)于胚胎電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自檢測方法和自修復(fù)方法的研究已取得一定進(jìn)展，但在大規(guī)模電路系統(tǒng)的實(shí)際工程應(yīng)用中仍存在著一些瓶頸。大規(guī)模復(fù)雜電路的胚胎電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，這將是未來研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。