演化硬體

演化硬體：EHW,是Evolvable Hardware的縮寫，指的是仿照自然界中以碳為基的生物進化過程，有可能在現有的FPGA晶片基礎上實現可控的“矽基進化”。演化設計的主要實現方法是將電路的結構、參數等項內容作為染色體加以編碼並施加交叉、變異等演化操作。電路的輸入一輸出特性與預期結果的符合程度便作為該個體的適應度，指導下一步的演化操作。如此反覆，逐步通過計算找到符合要求的個體，即最終電路。因此，演化設計的結果是能夠對積體電路晶片中可重配置的邏輯單元進行重配和組合，使得系統體系結構、連線方式均可得以變更。從而，可以實現局部的功能調整，甚至予以整體上的重新設定。

基本介紹

• 中文名：演化硬體
• 外文名：EvolvableHardware
• 概述：仿照以碳為基的生物進化過程
• 實現方法：電路的結構等演化操作

簡介

演化硬體實際上是一種特殊硬體，它可以像生物一樣具有自適應、自組織、自修復特性，從而可以根據使用環境的變化而改變自身的結構以適應其生存環境。從狹義上來講，演化硬體是通過演化算法實現電子硬體的自身重構;從廣義上來講，演化硬體包括各種形式的硬體，從感測器到能夠適應變化的環境，並且在運行期間增強其性能的整個演化系統。除了生成具有新功能的電路以外，演化硬體還可用於保持現有功能，獲得容錯、確定電路的功能，從而減少故障的發生。這些特點在空間套用中是相當重要的，例如通過硬體演化可以使宇宙飛船在空間自修復、自適應，恢復由於溫度升高等因素而喪失的功能，適應惡劣的環境並延長其使用壽命。

早在本世紀五十年代，計算機之父John Von Neumann就提出了研製具有自繁殖與自修復能力機器的構想，由於當時技術條件的限制使這一構想未能實現。但人們探索的腳步卻從未停止，先後發明了如細胞自動機、人工神經網路與人工生命等技術，但從根本上說它們未能超越各自劃定的特殊模式。

直到演化計算和大規模可程式晶片的出現，這一構想才成為可能。演化計算集成了“仿生”與“擬物”演化的成就，它的發展帶來了一種新的思想。演化計算是自然科學與工程技術的高度交叉，其廣泛的套用開闢了許多新的研究領域，其中最吸引人的領域之一就是演化硬體(EHW或E-Hard，Evolvable Hardware)。

近幾年的研究進展表明EHW為硬體設計自動化、並最終實現硬體自組織、自適應和自修復開闢了一條新途徑，為自然科學與工程技術的結合描繪了迷人的前景，開創了一門新的學科——進化電子學。開展EHW的理論與技術研究具有巨大的實用價值和重大的理論意義，一旦EHW得到充分實現，它將開闢進化工程這一具有重大價值和廣闊套用前景的新興產業，特別是在工業、人工智慧、航空航天以及軍事上的巨大套用潛力。

演化硬體的概念最初是由日本的HugodeGaris和瑞士聯邦工學院於1992年提出的[4]，雖然歷史不長，但其發展非常迅速。1995年第一個硬體演化技術研究機構在瑞士的洛桑成立。1996年第一屆國際演化系統會議(International Conference on Evolvable Systems，簡稱ICES)在日本召開，1998年第二屆ICES會議在瑞士召開，第三屆工CES會議於2000年在英國召開，第四屆ICES會議於2001年在日本召開。從1992年到1999年，硬體演化技術的研究機構主要分布在歐洲和日本。美國在硬體演化技術領域起步稍晚，但其發展迅速，後來居上。從1999年起，每年由美國國家空間管理局NASA (National America Space Administration) 和國防部DoD(Department of Defense)主持召開硬體演化技術研究工作會議。美國在硬體演化機理與套用基礎研究方面取得了很大的成績，已經在這一研究領域處於國際領先地位。

演化硬體的研究方法主要分為兩大類，即面向遺傳算法(Genetic Algorithm-GA)的方法與面向胚胎學(Embryology)的方法。

面向GA方法的目的在於開發一類能改變自身硬體結構的機器，同時也試圖開發一類新的硬體設計方法學(即不要涉及人的硬體設計)，日本的ETL，ATR與英國的Sussex大學採用這類方法；

面向胚胎學方法的目的在於開發一種能夠自繁殖(Self-reproduce)和自修復(Self-repair)的機器，瑞士聯邦工學院及日本的ATR人工腦小組正在進行這方面的研究。