演化硬體
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。