演化硬件概念分析

演化硬件实际上是一种特殊硬件，它可以像生物一样具有自适应、自组织、自修复特性，从而可以根据使用环境的变化而改变自身的结构以适应其生存环境。从狭义上来讲，演化硬件是通过演化算法实现电子硬件的自身重构;从广义上来讲，演化硬件包括各种形式的硬件，从传感器到能够适应变化的环境，并且在运行期间增强其性能的整个演化系统。除了生成具有新功能的电路以外，演化硬件还可用于保持现有功能，获得容错、确定电路的功能，从而减少故障的发生。这些特点在空间应用中是相当重要的，例如通过硬件演化可以使宇宙飞船在空间自修复、自适应，恢复由于温度升高等因素而丧失的功能，适应恶劣的环境并延长其使用寿命。 　　早在本世纪五十年代，计算机之父John Von Neumann就提出了研制具有自繁殖与自修复能力机器的设想，由于当时技术条件的限制使这一设想未能实现。但人们探索的脚步却从未停止，先后发明了如细胞自动机、人工神经网络与人工生命等技术，但从根本上说它们未能超越各自划定的特殊模式。 　　直到演化计算和大规模可编程芯片的出现，这一设想才成为可能。演化计算集成了“仿生”与“拟物”演化的成就，它的发展带来了一种新的思想。演化计算是自然科学与工程技术的高度交叉，其广泛的应用开辟了许多新的研究领域，其中最吸引人的领域之一就是演化硬件(EHW或E-Hard，Evolvable Hardware)。 　　近几年的研究进展表明EHW为硬件设计自动化、并最终实现硬件自组织、自适应和自修复开辟了一条新途径，为自然科学与工程技术的结合描绘了迷人的前景，开创了一门新的学科——进化电子学。开展EHW的理论与技术研究具有巨大的实用价值和重大的理论意义，一旦EHW得到充分实现，它将开辟进化工程这一具有重大价值和广阔应用前景的新兴产业，特别是在工业、人工智能、航空航天以及军事上的巨大应用潜力。 　　演化硬件的概念最初是由日本的HugodeGaris和瑞士联邦工学院于1992年提出的[4]，虽然历史不长，但其发展非常迅速。1995年第一个硬件演化技术研究机构在瑞士的洛桑成立。1996年第一届国际演化系统会议(International Conference on Evolvable Systems，简称ICES)在日本召开，1998年第二届ICES会议在瑞士召开，第三届工CES会议于2000年在英国召开，第四届ICES会议于2001年在日本召开。从1992年到1999年，硬件演化技术的研究机构主要分布在欧洲和日本。美国在硬件演化技术领域起步稍晚，但其发展迅速，后来居上。从1999年起，每年由美国国家空间管理局NASA (National America Space Administration) 和国防部DoD(Department of Defense)主持召开硬件演化技术研究工作会议。美国在硬件演化机理与应用基础研究方面取得了很大的成绩，已经在这一研究领域处于国际领先地位。 　　演化硬件的研究方法主要分为两大类，即面向遗传算法(Genetic Algorithm-GA)的方法与面向胚胎学(Embryology)的方法。 　　面向GA方法的目的在于开发一类能改变自身硬件结构的机器，同时也试图开发一类新的硬件设计方法学(即不要涉及人的硬件设计)，日本的ETL，ATR与英国的Sussex大学采用这类方法； 　　面向胚胎学方法的目的在于开发一种能够自繁殖(Self-reproduce)和自修复(Self-repair)的机器，瑞士联邦工学院及日本的ATR人工脑小组正在进行这方面的研究