演化硬件概念分析

演化硬件實(shí)際上是一種特殊硬件，它可以像生物一樣具有自適應(yīng)、自組織、自修復(fù)特性，從而可以根據(jù)使用環(huán)境的變化而改變自身的結(jié)構(gòu)以適應(yīng)其生存環(huán)境。從狹義上來(lái)講，演化硬件是通過(guò)演化算法實(shí)現(xiàn)電子硬件的自身重構(gòu);從廣義上來(lái)講，演化硬件包括各種形式的硬件，從傳感器到能夠適應(yīng)變化的環(huán)境，并且在運(yùn)行期間增強(qiáng)其性能的整個(gè)演化系統(tǒng)。除了生成具有新功能的電路以外，演化硬件還可用于保持現(xiàn)有功能，獲得容錯(cuò)、確定電路的功能，從而減少故障的發(fā)生。這些特點(diǎn)在空間應(yīng)用中是相當(dāng)重要的，例如通過(guò)硬件演化可以使宇宙飛船在空間自修復(fù)、自適應(yīng)，恢復(fù)由于溫度升高等因素而喪失的功能，適應(yīng)惡劣的環(huán)境并延長(zhǎng)其使用壽命。

　　早在本世紀(jì)五十年代，計(jì)算機(jī)之父John Von Neumann就提出了研制具有自繁殖與自修復(fù)能力機(jī)器的設(shè)想，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制使這一設(shè)想未能實(shí)現(xiàn)。但人們探索的腳步卻從未停止，先后發(fā)明了如細(xì)胞自動(dòng)機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與人工生命等技術(shù)，但從根本上說(shuō)它們未能超越各自劃定的特殊模式。

　　直到演化計(jì)算和大規(guī)?？删幊绦酒某霈F(xiàn)，這一設(shè)想才成為可能。演化計(jì)算集成了“仿生”與“擬物”演化的成就，它的發(fā)展帶來(lái)了一種新的思想。演化計(jì)算是自然科學(xué)與工程技術(shù)的高度交叉，其廣泛的應(yīng)用開辟了許多新的研究領(lǐng)域，其中最吸引人的領(lǐng)域之一就是演化硬件(EHW或E-Hard，Evolvable Hardware)。

　　近幾年的研究進(jìn)展表明EHW為硬件設(shè)計(jì)自動(dòng)化、并最終實(shí)現(xiàn)硬件自組織、自適應(yīng)和自修復(fù)開辟了一條新途徑，為自然科學(xué)與工程技術(shù)的結(jié)合描繪了迷人的前景，開創(chuàng)了一門新的學(xué)科——進(jìn)化電子學(xué)。開展EHW的理論與技術(shù)研究具有巨大的實(shí)用價(jià)值和重大的理論意義，一旦EHW得到充分實(shí)現(xiàn)，它將開辟進(jìn)化工程這一具有重大價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景的新興產(chǎn)業(yè)，特別是在工業(yè)、人工智能、航空航天以及軍事上的巨大應(yīng)用潛力。

　　演化硬件的概念最初是由日本的HugodeGaris和瑞士聯(lián)邦工學(xué)院于1992年提出的[4]，雖然歷史不長(zhǎng)，但其發(fā)展非常迅速。1995年第一個(gè)硬件演化技術(shù)研究機(jī)構(gòu)在瑞士的洛桑成立。1996年第一屆國(guó)際演化系統(tǒng)會(huì)議(International Conference on Evolvable Systems，簡(jiǎn)稱ICES)在日本召開，1998年第二屆ICES會(huì)議在瑞士召開，第三屆工CES會(huì)議于2000年在英國(guó)召開，第四屆ICES會(huì)議于2001年在日本召開。從1992年到1999年，硬件演化技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)主要分布在歐洲和日本。美國(guó)在硬件演化技術(shù)領(lǐng)域起步稍晚，但其發(fā)展迅速，后來(lái)居上。從1999年起，每年由美國(guó)國(guó)家空間管理局NASA (National America Space Administration) 和國(guó)防部DoD(Department of Defense)主持召開硬件演化技術(shù)研究工作會(huì)議。美國(guó)在硬件演化機(jī)理與應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面取得了很大的成績(jī)，已經(jīng)在這一研究領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

　　演化硬件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(xué)(Embryology)的方法。

　　面向GA方法的目的在于開發(fā)一類能改變自身硬件結(jié)構(gòu)的機(jī)器，同時(shí)也試圖開發(fā)一類新的硬件設(shè)計(jì)方法學(xué)(即不要涉及人的硬件設(shè)計(jì))，日本的ETL，ATR與英國(guó)的Sussex大學(xué)采用這類方法；

　　面向胚胎學(xué)方法的目的在于開發(fā)一種能夠自繁殖(Self-reproduce)和自修復(fù)(Self-repair)的機(jī)器，瑞士聯(lián)邦工學(xué)院及日本的ATR人工腦小組正在進(jìn)行這方面的研究