组合电路设计演化算法及软件框架

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演化计算是人工智能领域中的基于生物进化理论的一个分支。它模拟自然界生物演化过程,采用某种编码技术表示问题的可能解,并通过对编码表示进行遗传操作和自然选择来解决问题。由于演化计算具有自组织、自适应、自学习等智能特性,同时拥有且描述简单、使用灵活、易于操作和对问题要求的限制条件少、以及适合于大规模并行计算等特点,它已在复杂优化问题求解、机器学习和众多工程领域中取得了很大成功,成为许多科学关注的一个热点。演化硬件是由演化算法衍生出的一个分支。是将演化算法和计算机硬件结合的一个全新领域,演化硬件的目的是赋予硬件和生物一样的自适应、自修复、自学习特性。这个概念在1992年由Hugo de Garis和瑞士联合工学院共同提出。在1992年,H.deGaris与一位电子工程师讨论硬件时,获悉可编程集成电路,如PLD的结构是由结构位串决定的,由此想到将结构位串作为演化算法中的染色体,通过演化计算来完成硬件功能的设计。十余年来,演化硬件随着演化计算和可编程器件的进展,发展成为演化计算领域中一个很有活力的分支。美国宇航局(NASA)对演化硬件非常重视,专门成立了演化硬件小组进行演化硬件的研究,并且每年召开一次国际演化硬件大会,推动演化硬件的研究发展。日本对演化硬件也非常重视,Higuchi教授等的研究得到了日本政府的大力支持,取得了很多令人瞩目的成果。欧洲近年来的演化硬件研究发展很快,也引起了欧洲空间局的关注,今年就将在土耳其召开2006年自适应硬件系统国际会议(AHS 2006)。另外,在墨西哥等国也开展了演化硬件的研究。这些年来,演化天线、机器自学习、自适应容错等领域的研究都取得了很多成果。这些成果,初步展现了演化硬件的应用前景。 但是,同时我们也应该看到,在演化硬件使用的演化算法方面,近年来并没有很大的提高,演化硬件的主要成果,还是局限于如何将演化硬件模型应用到各种可重配置器件上。算法上难以突破,导致演化硬件的成果还停留在一个较低的层次上,很难大范围,大规模的应用。例如J.F.Miller等的演化开方函数、Sin函数电路,A.Stoica等进行的演化正弦波发生器[14]等等,虽然取得了一些成果,但还是在实现过程中避开了算法的某些难点,并且应用的规模都不大。演化硬件算法难于实现的原因主要有以下几点: 1.演化硬件问题描述困难 2.硬件结构复杂,算法搜索域大 3.演化硬件需要实现精密的电路设计,99%意味着0%,问题的求解条件高 4.演化硬件涉及的问题是一个全新的问题。旧有的演化计算方法不适合对其进行求解 5.电路个体及其适应度之间不具备线性关系,难以凸显演化算法的优势 6.演化硬件研究对实验设备要求高,其中一些设备需要专门定制,研究起点高 这些难点中的每一个,解决起来都非常困难,要设计适用于演化硬件的算法,就必须寻求解决这些难点的方法,如果只是一味的去规避,就会导致演化硬件很大的局限性,这
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