1 EHW的概念

     在二十世紀50年代，計算機之父Von Neumann就提出研制具有自繁殖與自修復能力并能進行通用計算的機器的設(shè)想，這就是演化硬件的概念雛形。一直到演化算法和大規(guī)模PLD的出現(xiàn)，這一夢想才具備了實現(xiàn)的可能。1992年日本的Hugo de Garis和瑞士聯(lián)邦工學院的科學家同時正式提出了EHW的構(gòu)想，短短幾年這一新的領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注，并且正處于急劇升溫之中。

     EHW指的是在與外部環(huán)境相互作用之后，能自主地、動態(tài)地改變自身結(jié)構(gòu)和行為的硬件電路。它具有自組織、自適應(yīng)、自修復功能，能適應(yīng)不同環(huán)境要求和提高自身性能。這一特性獲得主要歸功于演化算法。

     EaAs是一類模擬自然界遺傳進化規(guī)律的仿生學算法，它們首先隨機產(chǎn)生一組待求優(yōu)化問題的潛在可能矢量解（解稱為染色體，解的集合稱為種群，解中的分量稱為基因）；然后采用變異、交叉、評價、選擇等手段，優(yōu)勝劣汰，不能進化，獲得優(yōu)化解。作為一種優(yōu)化算法，它們也具有自適應(yīng)、自修復的特性，本身還具有隨機性及并行性。在搜索解空間時，能以很大概率找到全局解，不易陷入局部優(yōu)化點。嵌入問題方式簡單，尋優(yōu)魯棒性強，可以解決不連續(xù)、不可導、多目標、帶各種約束條件的優(yōu)化問題，因而成為EHW演化的“發(fā)動機”或“引擎”。

     EHW的簡單定義為：演化算法+可編程邏輯器件。從目前EHW研究的內(nèi)容看，EHW具兩個方面的內(nèi)容：①根據(jù)功能或指標的要求，采用EA技術(shù)對電路進行合成，形成新電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)。值得一提的是EA用于電路及系統(tǒng)設(shè)計由來已欠，但主要集中于利用電路參數(shù)設(shè)計電路板、布線、布局優(yōu)化等方面，與本文所指的EHW有本質(zhì)區(qū)別。②具有自組織、自適應(yīng)自修復特性的硬件電路。此為EHW吸引人的地方，其為“自適應(yīng)”。由于FPGA比以往PLD具有獨特的優(yōu)越性，目前大多數(shù)的EHW都采用FPGA器件。

    2 EHW的實現(xiàn)方法和演化方式

    從FPGA的原理可知，F(xiàn)PGA結(jié)構(gòu)可以終描述為配置數(shù)據(jù)。因此對FPGA的演化，終可歸結(jié)為對配置數(shù)據(jù)的演化，整個演化過程大約可描述成如下幾步：

    ①設(shè)定EA參數(shù)，如交叉率、變異率、種群數(shù)等；②隨機產(chǎn)生初始化種群Xi={xi1,xi2,…，xiR}，其中1≤i≤POP_SIZE；Xi為染色體，代表FPGA結(jié)構(gòu)編碼，如二進制串等；R為基因總數(shù)；③評價種群中的各染色體，獲取相應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值；④以某種方式選擇部分種群，按指定的變異率、交叉率進行交叉、變異，形成新的子染色體；⑤評價表的染色體，與父代染色體一起按適應(yīng)度函數(shù)值大小選出POP_SIZE的個體染色體作為下一代種群；⑥判別是否滿足終止條件：是，結(jié)束；否，回到。

    EA染色體編碼方式是影響EA計算速度和有效性的重要因素。根據(jù)編碼方式和級別的不同，可將EHW進化方式分為三類：直接型、間接型和函數(shù)型。直接型的任務(wù)是直接進化結(jié)構(gòu)位串以改變門級電路的連接。這種演化層次屬于門級水平，缺點是染色體的表示過于龐大。間接型的任務(wù)并不直接進化結(jié)構(gòu)位串，它采用了的表達方式，即用樹或法則產(chǎn)生電路。文獻提供了一個很典型的例子，它采用了硬件描述語言程序?qū)崿F(xiàn)一個二進制加法器，染色體為按規(guī)則產(chǎn)生的衍生樹，樹的所有可能結(jié)果鈄與電路結(jié)構(gòu)的所有可能結(jié)果一一對應(yīng)。每一個樹可以產(chǎn)生一個結(jié)構(gòu)功能描述程序塊，如果該樹是合活的話，這種方法降低了結(jié)構(gòu)位串造成的計算復雜度，因此在實際EHW中應(yīng)用較多。函數(shù)型進化也是另一種降低EA復雜性的方法，也屬于表達，其進化的基本元素不是門電路，而是個基本的功能模塊，如加、減模塊等。

    對染色體的評價方式分為外向型和內(nèi)向型兩種。外向型的EA是在仿真環(huán)境中用軟件進行的，染色體的評價值由仿真給出，只將每代的染色體才載到FPGA中，即在每代EA過程結(jié)束后EHW才重組。而內(nèi)向型則將每代種群中的每個染色體都到FPGA中，把實際運行結(jié)果作為評價值，具有真實性，顯然EHW重組的次數(shù)等于種群數(shù)的大小。

    EHW的自適應(yīng)工作方式分為在線自適應(yīng)和離線自適應(yīng)兩種。在線自適應(yīng)又稱為實時自適應(yīng)，其學習過程、進化過程和運作過程是同步進行的。離線自適應(yīng)則把實際工作和進化過程分為兩個獨立的階段，一般先做進化設(shè)計，后投入實際工作。

   3 演化硬件存在的問題和發(fā)展前景

    EHW是一個新生事物，尚有許多不成熟和亟待解決問題。EHW的在線自適應(yīng)方法還不完善。EA的特點就是是要重復進行“試湊性”的實驗，造成系統(tǒng)嚴重的故障和災(zāi)難，因此當前報道的實例大多數(shù)屬于離線自適應(yīng)。解決方法是建立識別或仿真環(huán)境，從中提前判別和濾去可能對環(huán)境造成危害的劣質(zhì)染色體，從而保證系統(tǒng)安全。

     某種意義上講，EHW給系統(tǒng)和電路科學帶來了革命性的理念和突破，作為新的電路設(shè)計手段，它能提供人工意想不到的設(shè)計方案，設(shè)計人員主要思考要完成什么電路、實現(xiàn)什么功能，而不是過多地考慮如何實現(xiàn)實。該方法對化的先驗知識要求不高，特別善于處理特殊和復雜的約束條件，因此可大大減輕了工勞動負擔，有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量。自1992年到現(xiàn)在，已有不少獲得實際應(yīng)用和總商品化的例子，如EHW制成的控制器成功地實現(xiàn)了假肢控制；EHW取代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了高速的模式辯識，結(jié)果比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)好；EHW芯片實現(xiàn)了數(shù)據(jù)壓縮等。也有人大膽地設(shè)想，隨著EHW技術(shù)的發(fā)燕尾服，新型計算機可實現(xiàn)自動升級。