Hardware Evolucionário

EVOLVABLE HARDWARE

Aplicação de Computação Evolucionária no Projeto, Otimização e Síntese de Sistemas

Hardware Evolucionário

Sumário

● _{O que é Evolvable Hardware?} ● _Taxonomia

● _{Exemplos de Aplicação;}

➪Projeto de Sistemas Digitais; ➪Projeto de Sistemas Analógicos;

➪Projeto de Circuitos Integrados CMOS; ➪Robótica;

➪Engenharia Civil

O Que é Evolvable Hardware?

Área que investiga a aplicação de Computação Evolucionária no projeto, otimização ou

síntese de sistemas de hardware: ■ _{circuitos eletrônicos;}

■ _robô;

■ _{controladores;}

■ _{outras estruturas (civil, mecânica, etc);}

“Evoluir ao invés de projetar”

Evolvable Hardware

■ _{Projeto de Sistemas}

– determinação de valores e/ou tipos dos componentes empregados no projeto de um sistema;

■ _Otimização

– determinação dos valores ótimos (semi-ótimos) dos valores ou dimensões dos componentes de um sistema;

■ _Síntese

– identificação da estrutura/arquitetura de um sistema e a determinação dos componentes (tipos e valores).

Projeto e Síntese

Circuitos Eletrônicos

Reconfiguráveis

FPGA (Field Programmable Gate Arrays)

•Palavras binárias programam a RAM do FPGA •Genótipo ==> memória do dispositivo

•Fenótipo ==> circuito eletrônico

Dispositivos reconfiguráveis deram origem ao uso de Algoritmos Genéticos para a evolução de circuitos.

FPGA

■ _{possui alta capacidade lógica} ■ _{alta flexibilidade}

■ _{utiliza SRAM para programar conecções}

■ _{está transformando o projeto de circuitos digitais} ■ _{requer ferramentas de software para projetos}

Consiste de um array de blocos lógicos dissociados e de recursos de interconecção configuráveis pelo usuário.

Surgimento de EHW baseou-se na semelhança dos cromossomos de GAs com a palavra binária

que configura um circuito programável

GA Seleção, Crossover, Mutação ... Genótipo - (0,1,1,0,1,1...) Avaliação CI programável

TAXONOMIA

EHW

Genética Programação_{Evolucionária}

Circuitos em geral Robótica VLSI Circuitos Programáveis Hardware Dedicado Simuladores Civil, Mecânica, Química, etc

Exemplos de Aplicações em

Eeletrônica

●Lógica Combinacional (Digital);

● _{Lógica Sequencial (Digital);}

● _{Lógica de Transistores (Digital/Analog);} ● _{VLSI Analógico(Otimização);}

● _{Filtros Passivos (Analógico);} ● _{Amplificadores (Analógico);}

● _{Circuitos baseados em capacitores}

chaveados

Modelagem de EHW

• Representação: circuito ➨➨➨➨ cromossoma • Decodificação: cromossoma ➨➨➨ circuito➨ • Avaliação: simulação/teste do circuito • Operadores Genéticos:crossover, mutação

Circuitos Combinacionais:

soma de produtos

Circuitos Analógicos

Representação por cadeia linear de genes

... 1 2 3 4 5 1 2 3 NPN 2 4 C 10uF 3 5 R 10k ... .

Lógica Combinacional

Resultados

MUX6 - Cerca de 1 minuto em uma Sparc Ultra 2, 90% de execuções com sucesso;

MUX11 - 5 sistemas evolutivos em paralelo.

COMP8 - Cerca de 20 minutos em uma SPARC Classic, 100% de execuções com sucesso.

Representação a nível de portas (Thompson, 96)

➪Cada Gene = Conexões + Natureza da porta ➪Mapeamento eficiente em FPGAs;

➪Sem restrições de projetos convencionais ➪Evolução de novos circuitos;

... 1 2 3 4 5 6 7 8 10 Gene = 1 2 OR

Main Store MAR MBR IR PC ALU D0 Cmar Cmbr Cir Cpc Cdo Calu Read Address InputWrite Gmsr Gmsw Gmbr Embr Gir Eir Gpc Epc Gdo Edo Galu Ealu R W Barramento

Evolução de Random Logic Control Unit

Projeto de Sistemas Analógicos

■ _{Síntese automática de filtros analógicos;} ■ _{Filtros analógicos passivos: constituídos por}

resistores, capacitores e indutores discretos;

■ _{Projeto automático consiste em uma busca por}

Características Básicas

■ _{Especificação e avaliação do sistema é feita no}

domínio da frequência;

■ _{Algoritmo busca por melhor projeto no espaço,}

contendo topologias organizadas em malhas;

■ _{Cada Gene é uma malha do circuito.}

Representação

Cada gene representa uma malha, que é composta por dois

Gene representante da Malha 1 = (R, ValR, C, ValC)

ValR

Operadores

● _{Mutação pode alterar natureza ou valor do}

componente;

● _{Aumento de tamanho de cromossomo}

aumenta o cromossomo de 1 gene, isto é, acrescenta uma malha ao circuito;

● _{Crossover ainda é o operador principal.}

Avaliação

■ _{Avaliação é realizada no domínio da}

frequência de interesse do projeto;

■ _{Fórmula Geral:} Fitness f i i i Total

A T O

∑

A aptidão é determinada por um somatório ao longo das frequências de

interesse; (T_i - O_i) é o desvio entre a resposta obtida O_ie a desejada T_i;

A_ideve ser definido de modo a penalizar mais fortemente erros em bandas

Exemplo de Aplicação

● _{Projeto de um filtro Passa-Faixa, com banda}

passante entre 2000 Hz e 3000 Hz;

● _{Apenas valores de resistores, indutores e}

capacitores fabricados são usados pelo GA;

● _{Valores dos componentes abrangem}

diversas ordens de grandeza (de mOhms à MOhms, de nF à mF, de nH à mH). Filtro Evoluído: 390 4.7 0.47 0.39 10 22 0.12 33 220 0.33 Cinco malhas: C- R, L-C, L-R, L-C e C-R.

00.20.40.60.811.2 Amplitud 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Frequência (Hertz) Am plit ude (Volt s )

Resposta em Frequência do Filtro Evoluído

Projetos CMOS Analógicos

● _{CMOS - Complementary Metal-Oxide Silicon;} ● _{Usar evolução para projetar circuitos em um}

nível ainda mais baixo, o de transistores;

● _{Comportamento de circuitos analógicos é}

fortemente determinado pelo comprimento e largura de transistores

➪Região de Operação (Inversão fraca e forte) determina

Transistor NMOS a Nível de

Camadas

➨ Relação W/L determina comportamento do transistor

G

D

S

Exemplo de Aplicação: Amplificador Operacional Classe A M3 M4 M1 M2 M8 M5 M7 M6 Rz Cc Vin+ Vdd Ibias I5 I7

Representação

● _{Cada cromossomo deve codificar as}

dimensões dos oito transistores, W / L, a corrente de polarização e o valor do

capacitor de compensação;

Avaliação

● _{Diversos requisitos podem ser escolhidos}

para avaliar o desempenho do circuito: ➨ Ganho / Banda-Passante;

➨ Slew-Rate; ➨ Consumo;

Otimização de amplificadores operacionais para baixo consumo : OTA simples, OTA Cascode e amplificador Operacional Classe A

Resultados Ganho GBW Área Margem de Fase Consumo Vbias Slew-Rate

Classe A OTA OTA Cascod. 141 dB 900 kHz 6218 um2 55o 10,54 uW 0,25V 340 mV/us 79 dB 90 kHz 10085um2 45o 2,45 uW 0,45V 46,7mV/us 100 dB 210 kHz 16.920 um2 60o 33,8 uW 0,25V 200 mV/us

Robótica

● _{Evolução de Hardware de Controle de}

Robôs Móveis e Autônomos;

● _{Robô é um sistema sensores + motores que}

navega em uma arena com obstáculos e deve executar uma determinada função, como pegar objetos, locomover-se

Exemplo Típico de um Robô Móvel e Autônomo Motores Sensores Robô Obstáculos Arena

Sistema de Controle Típico

Controlador

Sistemas de Controle que podem

ser evoluídos:

● _{Controle implementado por portas lógicas,}

um caso clássico de aplicação de EHW;

● _{Controle implementado por máquinas de}

estado;

● _{Controle implementado por Redes Neurais;} ● _{Otimização de comportamento (mínimo de}

colisões, destino final etc).

Exemplo de Controlador Baseado em

Portas Lógicas

Projeto de Ligações de Estruturas

Metálicas (civil)

■ _{Ligações levam a inúmeros}

detalhes e restrições

Objetivo

Utilização de computação evolucionária para a determinação dos diversos parâmetros de

uma ligação, através do método das componentes.

Componentes de uma Ligação

■ _{painel da alma da coluna ao cortante;} ■ _{alma da coluna à compressão;}

■ _{mesa e alma da viga à compressão;} ■ _{mesa da coluna ao momento;}

■ _{alma da coluna à tração;}

■ _{chapa de extremidade ao momento;} ■ _{alma da viga à tração;}

Componentes de uma Ligação

■ _{aba da cantoneira parafusada ao momento;} ■ _{chapa ao esmagamento;}

■ _{parafuso à tração;} ■ _{parafuso ao corte;}

■ _{chapa à tração ou compressão.}

Exemplo Adotado

Etapa 1

■ _{Variação do diâmetro dos}

parafusos
limites mínimos e máximos

■ _{Distâncias ajustadas pelo valor}

limite

■ _{População de 100 indivíduos} ■ _{Taxa de crossover: 0,70} ■ _{Taxa de mutação: 0,10}

Etapa 2

■ _{Variação do diâmetro dos}

parafusos e dos espaçamentos verticais ■ _{Restrições de distâncias} mínimas e máximas ■ _{População de 500 indivíduos} ■ _{Taxa de crossover: 0,70} ■ _{Taxa de mutação: 0,10}

Etapa 3

■ _{Variação do diâmetro dos}

parafusos, espaçamentos verticais e horizontais ■ _{Restrições de distâncias} mínimas e máximas ■ _{População de 2000 indivíduos} ■ _{Taxa de crossover: 0,70} ■ _{Taxa de mutação: 0,10}

Resultados

■ _{Resultados altamente satisfatórios}

■ _{Existência de várias configurações que}

levam a um mesmo valor de momento fletor

■ _{Aperfeiçoamento: inclusão de um novo}

critério
custo

■ _{Aptidão calculada a partir do fator momento}

/ custo

Futuro da Área

● _{Projetos de sistemas eletrônicos mais complexos,}

como aqueles destinados ao reconhecimento de padrões (arquitetura não conhecida);

● Evolução em plataformas que reproduzam com maior fidelidade as condições das aplicações (placas reconfiguráveis);

● _{Evolução de Sistemas de Hardware}

auto-reconfiguráveis e tolerante à falhas.

● Aplicações em outras áreas da engenharia, física etc