FPGA在演化硬件中的應(yīng)用

摘要：介紹了FPGA的新應(yīng)用一演化硬件（EHW）的進展和現(xiàn)狀，其中主要包括EHW的概念、工作原理、存在問題和應(yīng)用領(lǐng)域。闡述了EHW在電路與系統(tǒng)學(xué)科中的科學(xué)意義及對新興電子信息產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生的深遠影響。

關(guān)鍵詞：演化硬件 遺傳算法 FPGA

二十世紀70年代初出現(xiàn)了可編程邏輯器件（PLD），發(fā)展至今已出現(xiàn)簡單PLD（SPLD）、復(fù)雜PLD（CPLD）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）等各類器件。自1985年叛國Xilinx公司推出第一片F(xiàn)PGA以來，以今已有多家公司開發(fā)銷售自己的FPGA產(chǎn)品。FPGA有更高的集成度、更復(fù)雜的布線結(jié)構(gòu)和邏輯實現(xiàn)，它與以往的PLD之間的差別有于PLD一般是通過修改內(nèi)連電路的邏輯功能來實現(xiàn)編程的，而FPGA則是通過修改一根或多根內(nèi)連線來編程。FPGA的在線可編程技術(shù)（ISP）及動態(tài)重構(gòu)技術(shù)進一步提高了FPGA的應(yīng)用靈活性和自由度，重組及配置工作速度極快，從而為EHW的實現(xiàn)創(chuàng)造了堅的實的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1 EHW的概念

早在二十世紀50年代，計算機之父Von Neumann就提出了研制具有自繁殖與自修復(fù)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(xué)院的科學(xué)家同時正式提出了EHW的構(gòu)想[1]，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(fù)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（Evolvable Algorithms,簡稱EAs）。

EaAs是一類模擬自然界遺傳進化規(guī)律的仿生學(xué)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，最后獲得優(yōu)化解。作為一種優(yōu)化算法，它們也具有自適應(yīng)、自組織、自修復(fù)的特性，本身還具有隨機性和并行性。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(dǎo)、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[2]，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(fù)特性的硬件電路。此為EHW最吸引人的地方，其核心為“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)可以最終描述為配置數(shù)據(jù)。因此對FPGA的演化，最終可歸結(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步驟：

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④重復(fù)演化過程。

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。結(jié)構(gòu)位串為染色體，通過專用的軟件工具，下載到FPGA中，以獲得新的電路，如圖1所示[3]。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。一般情況下（不考慮其他結(jié)束條件），n個邏輯門的進化，染色體的串位數(shù)為O（n2）數(shù)量級，無論是表示或進化都是十分困難的。間接型的任務(wù)并不直接進化結(jié)構(gòu)位串，它采用了高級的表達方式，即用樹或法則產(chǎn)生電路。文獻[4]提供了一個很典型的例子，它采用了硬件描述語言（HDL）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（derivationtree），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，則將衍生出HDL的EHW結(jié)構(gòu)描述程序。EA的交叉、變異等算子對樹的作用與一般的EA算法對二進制串的作用相似，但EA進化含有結(jié)束條件，以確保樹（或程序）的合法性。這種方法降低了結(jié)構(gòu)位串造成的計算復(fù)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(fù)雜性的方法，也屬于高級表達，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。這樣既可以獲得更為復(fù)雜功能的電路，又不增加EA進化的困難。當然，其在FPGA中占用門電路資源要比前兩種方法多，電路結(jié)構(gòu)不很精簡。

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，只將每代最佳的染色體（配置數(shù)據(jù)）才載到FPGA中，即在每代EA過程結(jié)束后EHW才重組一次。而內(nèi)向型則將每代種群中的每個染色體都下載到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(xué)習(xí)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(fù)進行“試湊性”的實驗，在試湊過程中可能產(chǎn)生劣質(zhì)的染色體，造成系統(tǒng)嚴重的故障和災(zāi)難（如果不采取適當?shù)姆婪洞胧┑脑挘?，因而當前報道的實例大多?shù)屬于離線自適應(yīng)。解決方法是建立專家識別或仿真環(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。

目前成功應(yīng)用的EHW電路規(guī)模都比較小，這主要是因為EA算法復(fù)雜性隨EHW元件數(shù)的增加呈非線性上升趨勢，計算量變得不可忍受。解決的辦法是尋求更為有效的EA，如新的染色體編碼方式或硬件加速器[5]等。適應(yīng)度函數(shù)的選取也是一個值得注意的問題，高適應(yīng)度的結(jié)果并不一定能保證電路的完整和正確性，因為EA畢竟無法將所的輸入都做一番試湊性的實驗，為提高EHW的正確性而付出的計算成本將大幅增加。這一問題還引發(fā)了EA結(jié)束判定準則難以確定的問題。另外，EHW強調(diào)的是終結(jié)果達到目標要求，而電路內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、設(shè)計原理等對用戶來講屬于“黑箱”的范疇，因而一旦EHW發(fā)生故障，人工無法修理補救，解決的方向是采用自修復(fù)的EHW。

從某種意義上余，EHW給系統(tǒng)和電路科學(xué)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。該方法對專業(yè)化的先驗知識要求不高，特別善于處理特殊和復(fù)雜的約束條件（可通過EA的染色體及適應(yīng)度函數(shù)靈活地表達出來），因此可大大減輕了工勞動負擔，有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量。作為一種新的自適應(yīng)電路，EHW在機器學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、信號處理與識別、容錯系統(tǒng)和機器人等方面有廣闊的應(yīng)用前景。從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[6]；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[7]；EHW芯片實現(xiàn)了（電極采色打印機）數(shù)據(jù)壓縮[7]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[8]。