数字演化硬件与容错技术研究

发布时间：2020-04-18 20:53

【摘要】：随着信息技术的飞速进步及其应用范围的不断拓展,对任务和环境的自适应、复杂功能集成、多场景应用集成,已成为现代电子系统的重要发展趋势。将演化思想引入电子系统的设计和工作过程中,为构建具有自适应、自修复能力的电子系统开辟了一个全新的研究领域——演化硬件。本文以数字演化硬件为主要研究对象,探索构建数字演化平台和演化容错系统的基本方法,围绕硬件演化中的演化算法、演化容错技术、数字演化平台设计技术和演化容错系统构建方法四项关键技术展开研究。演化算法是实现演化硬件的核心技术之一,同时也是组合优化和全局搜索的主要工具。首先,以内部数字演化硬件为目标,对适应度评估方法和演化算法展开研究,研究了可重构单元阵列及电路表达方法,并分别在细粒度和粗粒度上研究了可重构功能单元阵列的映射方法。然后,根据内部硬件演化的需求,提出了一种基于精英保留策略的自适应变异概率紧凑遗传算法。该算法在基本紧凑遗传算法的基础上,通过精英保留策略,防止最优解在迭代过程中被破坏,提高了算法的收敛速度;引入自适应变异算子,改善算法的局部搜索能力,维持种群的多样性,防止出现早熟收敛现象,进一步提高了算法的性能。另外,在算法硬件实现方面,提出了一种可配置、可参数化的硬件实现结构。在线演化修复是演化硬件的重要应用领域。在分析了单粒子效应和永久性老化故障模式的基础上,针对现有演化修复方法收敛速度较慢的缺点,提出了一种基于相关度排序故障定位的演化修复方法,减小了演化搜索空间,有效地提高了演化修复速度。另外,该方法的测试配置可在设计阶段生成,且其故障定位性能与电路的具体实现方式无关,具有较好的通用性。演化平台是内部演化硬件的基础。针对传统动态部分重构系统中修改LUT依赖于专用工具和比特流信息格式的不足,本文采用一种基于LUT操作的动态映射方法进行门级演化,解除了对底层比特流信息的依赖,并且有效提高了动态部分重构的速度。针对大规模的演化应用,提出了一种基于比特流重定位的函数级演化方法。通过比特流重定位技术,可以有效减少可重构单元所需的配置数量。此外,还引入了比特流压缩技术,在减小了系统存储开销的同时,提高了重构速度。针对嵌入式内部演化需要,为了兼顾重构粒度和配置速度的需求,设计了基于LUT级和函数级动态重构的嵌入式演化平台,并通过演化实验验证了演化平台的性能。针对传统冗余容错方法存在的资源消耗巨大的不足,提出了动态冗余的容错方法,并将动态冗余和演化修复相结合以实现多层修复机制。在本文研究成果的基础上设计了一种基于动态冗余的演化修复系统,通过动态部分重构,使得系统可以工作在单模、双模或三模状态,实现了逻辑资源开销与系统可靠性之间的平衡。另外,为了验证演化修复技术的容错能力,提出了一种基于动态部分重构的故障注入方法。演化修复实验和容错性能评估结果表明,系统具有可靠性高、实时性强的特点。
【图文】：

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国防科学技术大学研究生院博士学位论文举办了 10 届。鉴于演化硬件在航空航天以及军事领域展现出的广阔发展前景，美国航空航天局（NationalAeronautics and SpaceAdministration，NASA）和美国国防部（Department of Defense，DoD）在 1999 年举办了首届演化硬件会议（NASA/DoD Workshop on Evolvable Hardware，WEH），之后每年在美国举办一次。WEH 自 2006 年改由 NASA 和欧洲航天局（European Space Agency，ESA）共同举办，并改名为自适应硬件与系统会议（NASA/ESAConference onAdaptiveHardware and Systems，AHS），并在土耳其举办。AHS 每年举办一次，最新一届会议于 2013 年 6 月在意大利都灵召开。ICES 和 AHS 是演化硬件领域的顶级会议，反映了该领域的最新进展及研究动态。另外，《IEEE Transactions onEvolutionary Computation》和《Genetic Programming and Evolvable Machines》等期刊也是获取演化硬件相关信息的重要资源。

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（a）模拟中频滤波器（b）FPTA （c）演化天线（d）RISA图 1.3 演化研究成果NASA/JPL 主要致力于模拟型演化硬件研究，其主要目标是研究适用于航天飞机、宇宙飞船的自适应、自修复电子系统。JPL 研制了现场可编程晶体管阵列（FPTA）（如图 1.3（b）所示），并设计了基于 FPTA 的外部演化设计工具 EHWPack和板级内部演化系统（Stand-Alone Board-Level Evolvable System，，SABLES）。JPL在 FPTA 上开展了大量演化设计实验，包括乘法器、基本逻辑门、半波整流器、模拟滤波器、4-bit DAC、电机控制器等，并验证了极端环境（空间粒子辐射、极限温度）下模拟电路在线演化恢复能力[19][20][13][21]。此外，NASA 还开展了演化天线设计研究，通过设置工作频率、增益、驻波比、输出阻抗等参数，无需人工干预即可设计出符合任务需求的演化天线。演化天线 ST5-3-10（如图 1.3（c）所示）已成功应用于 NASA 的 ST5 飞船[23]，成为首部部署到太空中的演化天线。瑞士联邦工学院的 D. Mange 是胚胎型演化硬件的先驱，主要研究基于胚胎阵列的细胞自动机，设计实现了由 2000 个 FPGA 组成的电子组织 Bio-Wall，将Von Neumann 研制自繁殖、自修复计算机的设想变成现实[22][24][25][26]。由英国 York 大学的 A. Tyrrell 负责主持的欧盟资助项目可重构 POEtic 组织
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN70;TP302.8

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