復雜數字電路的分解演化研究

摘 要：隨著科學技術和控制技術水平的提升，復雜數字電路的出現，各行各業由此得到極大發展。本文主要對復雜數字電路技術的分解演化進行研究，包括對國內外研究現狀、演化硬件的可擴展性問題進行了探討，然后對分解演化思想進行了詳細分析。

關鍵詞：科學技術；控制技術；數字電路；分解演化

中圖分類號：TN79 文獻標識碼：B 收稿日期：2015-11-10

1.前沿

隨著現代科學技術的迅速發展，智能控制系統廣泛應用于各行各業，如家用電器、手機、航空航天、軍備武器等，其控制系統的實際應用功能越來越強大。20世紀90年代可編程邏輯器件的誕生，促使電路控制系統得到快速發展。在地質勘探、海底探測以及太空探索領域，人類并不能親身涉足，多采用智能控制系統操縱機器進行探索；但外太空的溫度變化及高輻射等導致了對外探測設備的極大損壞。

2.國內外研究現狀

von Neumann最早提出開發具有自繁殖和自修復能力的智能機器的構想。1992年，Garis和瑞士聯邦工學院提出了EHW的概念，其后EHW得到了快速發展。

1995年10月，EHW技術第一個國際專題會議召開，并成立了研究機構。其后美國、歐洲各國等也建立了各自的EHW研究中心，其研究方向大多為對EHW的EDC方法和技術、EHW的自修復與自容錯方法和技術等方面的研究；日本則主要研究EHW的數字模型；而美國、德國以及英國等國大學主要進行模擬型EHW研究。

21世紀，美國的NASA制訂了EHW的科研規劃，日本、英國的科學家一直進行EHW的容錯和自適應的相關研究；另外，美國Xilinx公司針對EHW的研究，特意開發出來了可編程器件；日本、歐美等發達國家主要進行EHW的原理及EHW應用拓展研究。

國內研究起步晚，康立山教授率先在國內開展了EHW的研究，用簡單PLD作為硬件基礎，嘗試對簡單的電路結構進行演化。王熙法教授在設計冗余容錯電路時采用EHW技術，運用遺傳算法生成功能多樣而結構卻不同的電路。趙曙光教授等人對電路演化設計方法進行了研究，提出基于最小項表達式的編碼方式。王友仁教授研究了EHW的原理及關鍵技術，基于FPTA模型借助離線演化方式演化了運算放大器等電路。朱明程教授主要對EHW結構和算法進行了研究，通過研究EHW算法，對多種不同算術功能的演化電路細胞結構進行演化。韓月平等人研究了基于EHW的容錯技術。原亮教授對數字EHW、平臺進行了研究。另外，還有部分科研機構對EHW進行了詳細研究，但其成果滯后于發達國家。EHW作為一個新興的研究領域，投入小，產出小，但距離產業化水平還有一定距離。

3.演化硬件的可擴展性問題

造成演化硬件可擴展性問題的因素有三個：①染色體基因由邏輯門編碼和連接關系編碼組成，且演化過程中存在大量冗余邏輯單元，導致目標電路演化規模越來越大，需冗余單元也越來越多，給演化擴展計算造成了很大困難。②組合的輸入輸出比較多，算法在搜索空間上所占有的資源十分大。隨著算法演化工程規模的不斷擴大，數量的輸入與輸出也越來越多，真值表長度與輸入個數呈指數級關系，真值表的擴大給電路個體適應度評價帶來巨大困難。③真值表的復雜度隨著要求的越來越高而提升，直接導致了個體適應度所需時間不斷延長，進一步導致了演化的速度不斷降低。

4.分解演化思想

研究者根據上述3個因素，提出了“分而治之”的方法：以降低演化規模為研究重點，使染色體編碼難度降低，最終使算法搜索空間縮小，從而解決電路演化可擴展性問題。Kalganova提出了雙向增量演化，E.Stomeo提出了通用分解演化算法。BIE的思想是將電路分解為多個子電路，然后對子電路進行演化，當子電路都演化完成后，再把各個子電路組合成一個電路，并不斷進行優化；但該方法還存在很多缺點，主要是遇到電路輸入組合多的情況時不能進行過多的處理。GDD的主要思想是，開始演化前根據研究人員個人經驗對整個控制系統進行輸入分解，將整個演化系統分解為可演化和固定兩部分：可演化部分的輸入是待演化系統輸入的一部分；而固定部分則是由事先設計好的選擇器組成。GDD方法能有效解決電路輸入組合的難題，但在電路輸出較多的情況下，仍然存在很多需要解決的問題。

參考文獻：

[1]郭曉珉，姚 睿，劉智躍，等.利用運動強度判據的高效自適應運動估計算法[J].中國圖像圖形學報，2012，（4）.

[2]郝國鋒，王友仁，張 砦，等.可重構硬件芯片級故障定位與自主修復方法[J].電子學報，2012，（2）.