Эволюционирующие аппаратные средства

  • 20 сент. 2011 г.
  • 4677 Слова
Реферат по курсу «Организация ЭВМ»
Эволюционирующие аппаратные средства

Автор:

С каждым годом сложность вычислительных систем увеличивается. Это позволяет создавать более надежные и экологичные машины, выпускать все новые гаджеты, которые упрощают нашу жизнь и делают ее более увлекательной. Однако столь сложные устройства становятся «головной болью» для разработчика. Возникает вопрос,какие методы и технологии использовать? Как «застраховаться» от ошибок? Одно из возможных решений – эволюционирующие аппаратные средства.
1. Понятие эволюции аппаратных средств.
Биологические системы во многих отношениях устроены сложнее, чем то, что может произвести сейчас человек. При этом формирование организмов происходило на протяжении многих миллионов лет путем естественного отбора и мутации.Этот процесс получил название эволюция: родители производят потомство, которое может быть лучше или хуже приспособлено к окружающим условиям. Путем отбора определяются наиболее приспособленные особи, которые станут родителями для следующего поколения. Этот принцип можно использовать при разработке аппаратуры.
Если рассматривать эволюцию применительно к процессу создания электронных устройств, то вроли популяции особей будет выступать набор электронных систем ориентированных на решение одной проблемы. Условимся обозначать степень решения проблемы термином «пригодность», которую можно измерить численно. Это позволит произвести отбор подходящих решений, который станут основой для следующего поколения. Роль ДНК при этом выполняет бинарная строка данных. Она потребуется для конфигурациисистемы на этапе формирования популяции.
При использовании механизма эволюции необходимо помнить, что
* Система будет эволюционировать случайным образом;
* Полученный результат будет решать проблему, но при этом он может оказаться не самым оптимальным;
* Эволюционные схемы устойчивы к ошибкам (возможно возникновение локальной ошибки при сохранении общей работоспособности);
* Эволюционные схемыприспосабливаются к изменяющимся окружающим условиям;
* Достаточно сложно установить, как выполняются вычисления в итоговой схеме.
Действительно, существует вероятность получить не самое оптимальное решение в процессе эволюции. Все схемы популяции разные, что уже подразумевает некоторую избыточность. Но именно эта избыточность сделает итоговую схему устойчивой к помехам и ошибкам. В процессеработы может возникать множество факторов, влияющих на работоспособность системы: внешних (выход из строя датчика) и внутренних. Однако среди всех вариантов на каждом уровне эволюции будут отбираться те, которые сохраняют высокую производительность и эффективно решают поставленную задачу.
На рисунке изображен робот «Хепера», который использовался в серии экспериментов по изучению эволюцииаппаратных средств. Робот состоит из восьми инфракрасных датчиков расстояния, контроллера и двух колес. Каждый датчик испускает волны в инфракрасном диапазоне и принимает отраженный сигнал. Значение сигнала датчика меняется в диапазоне от 0 до 1023: чем выше сигнал, тем ближе препятствие. На основании данных от датчиков контроллер робота определяет: двигаться вперед, двигаться назад, повернуть налево илинаправо.
В процессе эксперимента робот должен был двигаться по поверхности стола, избегая столкновения с препятствиями. В результате непрерывной эволюции контроллера была получена схема, которая эффективно справлялась с задачей ориентации робота в пространстве. При этом показатель «пригодности» оставался на одном уровне для нескольких последних поколений.
Когда один из датчиков «вывели изстроя», накрыв его бумагой, показатель пригодности контроллеров целой популяции резко упал. Но уже через десять поколений он возрос и вернулся к первоначальному значению. Это характеризует свойство эволюционирующих схем восстанавливать свои показатели в случае сбоя.
Данный пример демонстрирует преимущество эволюционирующих схем перед более традиционными решениями. Эволюционирующие...
tracking img