Aktuální vydání

celé číslo

04

2024

Průmyslové roboty a automatizace výrobních a montážních linek

celé číslo

Od biologie k hardwaru

Elektronické obvody, antény, mikroelektromechanické systémy (MEMS) a další hardwarové komponenty, které jsou schopny se samy vyvíjet a přizpůsobovat proměnlivým podmínkám podobně jako organismy v přírodě, to jsou témata výzkumu komunity vědců z celého světa, kteří se sešli 21. až 24. října 2008 v pražském hotelu Olympik na osmé vědecké konferenci International Conference on Evolvable Systems: From Biology to Hardware (ICES). Kterými směry se ubírá výzkum v této oblasti, naznačují názvy sekcí konference uvedené v tab. 1. Po letech výzkumu se nyní začínají objevovat první reálně použitelná řešení, která by měla přispět k vytvoření nové generace inteligentního hardwaru.
 

Evoluční algoritmy

Podle Darwinovy evoluční teorie mají lépe přizpůsobení jedinci lepší vyhlídky na to, aby žili delší dobu a zplodili více potomků. Působením přirozeného výběru potom mohou vznikat organismy, které jsou lépe přizpůsobeny prostředí. Na stejném principu jsou založeny evoluční algoritmy, tedy výpočetní metody, které postupně „šlechtí“ řešení zadané úlohy pomocí procesů dědičnosti, mutací, přirozeného výběru a křížení. Nejznámějším typem evolučních algoritmů je genetický algoritmus, který pracuje s tzv. populací, jejíž každý jedinec představuje jedno kandidátní řešení daného problému. Pod jedincem si lze představit např. číslicový filtr, který je v algoritmu reprezentován jako binární řetězec. O kvalitě řešení rozhoduje jejich schopnost reprodukce, která je v našem případě úměrná schopnosti filtrovat vstupní signál požadovaným způsobem. Jak populace prochází evolucí, řešení se z generace na generaci zlepšují. Algoritmus se zastaví při dosažení postačující kvality řešení nebo jestliže je vyčerpána povolená doba evoluce.
 

Od evolučních algoritmů k hardwaru se schopností vlastního vývoje

Evoluční algoritmy nejsou žádnou novinkou, používají se již více než třicet let. Přelomovým řešením bylo, když se v polovině devadesátých let minulého století začaly používat ve spojení s programovatelnými čipy, které mohou dynamicky měnit své funkce a fyzické propojení svých obvodů, např. čipy FPGA (Field Programmable Gate Array) a FPAA (Field Programmable Analogue Array). Kombinací evolučních algoritmů s programovatelnou elektronikou vznikly elektronické obvody, které se mohou samy vyvíjet a vylepšovat svoje parametry. Tak vznikl nový obor vyvíjejícího se hardwaru – Evolvable Hardware (EH).
 
Během let se tento obor rozšířil a kromě využívání evolučních algoritmů a rekonfigurovatelných elektronických zařízení zahrnuje mnoho dalších kombinací algoritmů inspirovaných biologií s různými fyzikálními zařízeními nebo jejich simulátory. Současný vývoj v oboru EH lze rozdělit do těchto dvou souvisejících oblastí:
  • evoluční návrhy hardwaru (EHD – Evolvable Hardware Design),
  • adaptivní hardware (AH).
V oblasti evolučních návrhů hardwaru jsou automaticky vytvářena nová (a dokonce i patentovatelná) řešení s využitím algoritmů inspirovaných biologií. Mezi úspěšné příklady EHD patří netradiční, avšak velmi inovativní analogové a digitální obvody, antény (obr. 1), MEMS, optické systémy nebo i kvantové obvody.
 
Adaptivní hardware využívá evoluční algoritmy k zajištění autonomní adaptace a samoopravy hardwaru v průběhu jeho používání. Tyto adaptivní charakteristiky jsou zapotřebí ke zkonstruování robustnějších komponent a systémů, aby mohly pracovat v měnícím se prostředí. Například číslicový filtr implementovaný na čipu FPGA se může dynamicky adaptovat na měnící se charakter šumu nebo čip FPAA může autonomně kompenzovat svoje obvody tak, aby mohl pracovat v extrémních teplotních podmínkách.
 
Na konferenci ICES 08 proběhla soutěž o cenu za nejlepší příspěvek, kterým se stal článek prof. Moritoshi Yasunagy o genetické optimalizaci vedení na desce plošného spoje umožňující zvýšit přenosovou rychlost systému.
 

Evoluční robotika

Zajímavou oblastí vyvíjejícího se hardwaru je evoluční robotika. Té byla na konferenci ICES 2008 věnována zvláštní sekce, kterou uvedl Jordan Pollack z Brandeis University v USA. Připomněl, že inženýři dosud staví stroje bez inteligence, která je nutná pro přežití organismů v přírodě. Vědci zabývající se evoluční robotikou usilují o autonomní vývoj strojů. Například v pozoruhodném projektu Golem (Genetically Organized Lifelike Electro Mechanics) uskutečňoval tým Jordana Pollacka experimenty s jednoduchými elektromechanickými systémy, které se dokázaly vyvinout ve fyzické pohybující se stroje
(obr. 2). Stejně jako si biologické organismy vytvářejí takové struktury a funkce, jaké jim dovolují jejich vlastní chemické a mechanické prostředky, využívaly i tyto vyvinuté „bytosti“ charakteristiky svých vlastních prostředků – termoplastu, motorů a umělých neuronů.
(ev)
 
 
Obr. 1. Anténa použitá ve vesmírné misi NASA ST5; její tvar navržený metodou genetických algoritmů je sice překvapivý, ale funkčně naprosto vyhovující
Obr. 2. Jeden z pohybujících se mechanismů, který se sám vyvinul z jednoduchých elektromechanických systémů
Obr. 3. Lukáš Sekanina na konferenci ICES 2008
Obr. 4. Evolučně navržený obrazový filtr pro výstřelový šum vyvinutý v ústavu počítačových systémů Fakulty informačních technologií VUT v Brně
 
Tab. 1. Sekce konference ICES 2008
 

Vyvíjející se hardware na VUT v Brně

V oboru vyvíjejícího se hardwaru (EH – Evolvable Hardware) se úspěšně etabloval tým z ústavu počítačových systémů Fakulty informačních technologií VUT v Brně. Snaží se pomocí evolučních algoritmů automaticky vytvářet elektronické obvody použitelné v praxi, které vykazují ve srovnání s běžně používanými obvody lepší vlastnosti (funkčnost, menší plocha na čipu, menší zpoždění apod.). Členem týmu je Lukáš Sekanina (obr. 3), který je propagátorem tohoto oboru a rozhodující měrou se podílel na organizaci konference ICES 2008 v Praze. V krátkém rozhovoru přiblížil, které výzvy dnes stojí před oborem vyvíjejícího se hardwaru.
 

Mohl byste představit směry výzkumu vyvíjejícího se hardwaru na vašem pracovišti?

Zabýváme se zejména evolučním návrhem číslicových obvodů a genetickým programováním. Mezi příklady obvodů, které naše evoluční algoritmy vytvořily a které dosahují lepších parametrů než nejlepší existující řešení, můžeme zahrnout např. obrazové filtry (obr. 4), aritmetické obvody, řadicí sítě, polymorfní obvody a diagnostické obvody. Dále jsme vytvořili platformu pro FPGA, která umožňuje autonomně provádět evoluci (a tedy adaptaci) obvodů přímo na čipu bez nutnosti použít PC.
 

Jaké praktické využití má výzkum hardwaru se schopností vlastního vývoje? Uplatnily se již jeho výsledky v praxi – u nás i ve světě?

Je zde hlavně velký potenciál do budoucna, kdy bude třeba mít hardware přizpůsobený pro konkrétní místo i dobu použití a pro konkrétního uživatele. Cílem je maximalizovat výkonnost s dostupnými zdroji, vylepšovat funkčnost, snížit spotřebu a autonomně adaptovat a opravit hardware. Nejvíce adaptivních čipů bylo vytvořeno a uvedeno na trh v japonském výzkumném ústavu AIST, např. čip pro adaptivní kompresi obrazu, čip pro adaptivní řízení umělé končetiny, samokalibrující se analogové filtry pro mobilní telefony atd. Pro vesmírné aplikace v NASA byly vytvořeny adaptivní antény a čipy schopné přežít v extrémním prostředí díky schopnosti autonomní rekonfigurace.
 

Na konferenci ICES 2008 se uskutečnila panelová diskuse o reálných výzvách oboru vyvíjejícho se hardwaru (Real Challenges in Evolvable Hardware). Bylo by možné shrnout její závěry?

Již dlouho se hovoří o výhodách i nevýhodách evolučního hardwaru. Průmysl má na jedné straně zájem o tyto technologie, protože přinášejí zajímavá řešení. Na druhé straně stále přetrvává skepse ze strany průmyslu, který považuje použitou metodu za magii a nedůvěřuje elektronice, která nebyla navržena klasickým inženýrským postupem.
rozhovor vedla Eva Vaculíková