胚胎型仿生自修复系统硬件消耗分析

检查到N个工作模块中存在故障模块时，可控开关将故障模块断开，使故障模块不影响电路的最终输出，并选择冗余模块进行工作，保证同时有N个正常模块工作。

使用N模块冗余实现系统的自修复时，若系统自修复能力指标为SRC，需要的模块数目q=SRC+N-1。忽略比较器、检测器及开关的硬件消耗，其硬件消耗为：

[mnωq=mnωSRC+N-1] （1）

（2） 胚胎电子阵列实现。电路采用胚胎电子阵列实现时，若采用列移除自修复机制进行自修复，则每自修复一次，需要一个冗余细胞。当系统自修复能力指标为SRC时，阵列中需要SRC列冗余列，则硬件消耗为：

[mn+SRCω1+α] （2）

由式（1）、式（2）可得，对于同一目标电路，在相同的自修复能力指标要求下，分别采用胚胎电子阵列与N模冗余实现时，其硬件消耗比P为：

[P=m（n+SRC）ω（1+α）mnω（SRC+N-1）=（n+SRC）（1+α）n（SRC+N-1） =1+SRCn（1+α）SRC+N-1] （3）

3 硬件消耗仿真与分析

由式（3）可以看出，P与目标电路列数n、自修复能力SRC、电子细胞辅助电路比例α及N模冗余形式相关。N模冗余中，N越大其所消耗硬件越大，P值越小。对于确定的α和SRC，采用三模冗余时N=3，P值最大，有：

[P=1+SRCn（1+α）SRC+2] （4）

本文以三模冗余为对比对象，进行胚胎型仿生自修复系统的硬件消耗分析。

3.1 固定辅助电路比的硬件消耗

当目标电路列数n在[10，100]上、自修复能力SRC在[1，20]上变化，电子细胞辅助电路比例α分别为0.2，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0时，P随n和SRC的变化如图4所示。由图4可以看出，胚胎电子阵列与N模冗余实现同一目标电路时，硬件消耗比P随着电子细胞辅助电路比例α的增加而增加，随着目标电路列数n和自修复能力SRC的增加而降低。在相同的电子细胞设计水平下，目标电路规模越大、自修复能力越大，P值越小，胚胎电子阵列的优势越明显，这是由于胚胎电子阵列与N模冗余的自修复特点不同决定的。N模冗余中将故障模块整块移除，而胚胎电子阵列中只移除故障细胞所在列，因此胚胎电子阵列在大规模、大自修复能力要求的环境下优势更加突出。对于相同规模和自修复能力要求的目标电路，α越大，P值越大，且对规模较小、自修复能力要求较低的电路影响较大。当[α≥2.0]时，对于规模[n≤20]、自修复能力[SRC≤5]的目标电路有[P≥1.0]，此时，胚胎电子阵列的硬件消耗大于三模冗余的硬件消耗。但是对于规模[n≥20]、自修复能力[SRC≥10]的目标电路，即使[α=5.0]，即电子细胞中辅助电路是细胞功能电路的5倍，P值依然小于1，即胚胎电子阵列与三模冗余相比依然具有优势。

3.2 固定电路规模的硬件消耗

为了进一步研究电子细胞辅助电路比例α对P的影响，当α在[1，20]上、自修复能力SRC在[1，20]上变化，目标电路列数n分别为10，20，30，50，100，200时计算胚胎电子阵列和三模冗余消耗硬件比例P，计算结果如图5所示，图5中黑色线条为[P=1.0]对应位置。

由图5可以看出，在相同的辅助电路比α和电路自修复能力SRC要求下，目标电路规模n越大，P值越小。同时，n越大，使[P<1.0]的α和SRC取值范围越大。当[n=200]时，即使辅助电路比[α=20]，即电子细胞中检测、基因存储、修复控制电路规模是逻辑功能规模的20倍，对于自修复能力[SRC>20]的应用场合，胚胎电子阵列实现依然有硬件优势。

当目标电路规模较小时，如[n=10]，使[P<1.0]的α和SRC取值范围较小。此时若[α>5]，即电子细胞中检测、基因存储、修复控制电路规模是逻辑功能规模的5倍，则胚胎电子阵列相对于三模冗余没有硬件优势。

通过对图4和图5的分析可知，对于大规模、自修复能力要求高的目标电路，使用胚胎电子阵列实现时更具有优势。同时，电子细胞中检测、基因存储、修复控制等辅助电路的设计影响胚胎电子阵列的硬件消耗和应用范围，辅助电路比越低，胚胎电子阵列可应用范围越大。在胚胎电子阵列设计过程中，应尽量优化电子细胞设计，降低辅助电路比。

4 结 语

根据胚胎型仿生自修复系统中基本单元——电子细胞的结构特点，并结合其列移除自修复机制，建立了系统硬件消耗模型。在该模型基础上，对基于胚胎型仿生自修复系统的电路硬件消耗进行了分析。分析表明胚胎型仿生自修复系统适用于大规模目标电路、可靠性要求高的应用环境。对于目标电路规模较小、自修复能力要求较低的应用，胚胎型仿生自修复系统与传统的三模冗余相比，在硬件消耗上没有优势。另外，仿生电子系统的硬件消耗与电子细胞的设计水平紧密相关，通过优化电子细胞设计，可以有效降低系统硬件消耗。

参考文献

[1] DE GARIS H. Genetic programming： artificial nervous systems， artificial embryos and embryological electronics [C]// Proceedings of the 1st Workshop on Parallel Problem Solving from Nature. London： Springer， 1990： 117⁃123.

[2] DE GARIS H. Artificial embryology： the genetic programming of an artificial embryo [M]. New York： Wiley， 1992： 373⁃393.

[3] MANGE D， SANCHEZ E， STAUFFER A， et al. Embryonics： a new methodology for designing field⁃programmable gate arrays with self⁃repair and self⁃replicating properties [J]. IEEE transactions on very large scale integration （VLSI） systems， 1998， 6（3）： 387⁃399.

[4] THOMA Y， TEMPESTI G， SANCHEZ E， et al. POEtic： an electronic tissue for bio⁃inspired cellular applications [J]. Biosystems， 2004， 76（1）： 191⁃200.

[5] BREMNER P， LIU Y， SAMIE M， et al. SABRE： a bio⁃inspired fault⁃tolerant electronic architecture [J]. Bioinspiration & biomimetics， 2013， 8（1）： 1?17.

[6] 张砦，王友仁.基于可靠性分析的胚胎硬件容错策略选择方法[J].系统工程理论与实践，2013，33（1）：236⁃242.

[7] ZHU S， CAI J Y， MENG Y F. A novel embryonics system with evolutionary ability [J]. WSEAS transactions on circuits and systems， 2015， 14： 164⁃173.

[8] 朱赛，蔡金燕，孟亚峰，等.用于胚胎电子阵列的实验系统[J].电光与控制，2015，22（4）：70⁃74.

[9] YANG I， JUNG S H， CHO K H. Self⁃repairing digital system with unified recovery process inspired by endocrine cellular communication [J]. IEEE transactions on very large scale integration （VLSI） systems， 2013， 21（6）： 1027⁃1040.

[10] 李岳，王南天，钱彦岭.原核细胞仿生自修复电路设计[J].国防科技大学学报，2012，34（3）：154⁃157.

[11] 徐佳庆，窦勇，吕启，等.电子组织：一种具有自适应能力的可重构仿生硬件结构[J].计算机研究与发展，2012，49（9）：2005⁃2017.

[12] 郝国锋，王友仁，张砦.可重构硬件芯片级故障定位与自主修复方法[J].电子学报，2012，40（2）：384⁃388.

[13] ZHU S， CAI J Y， MENG Y F， et al. A novel embryonics electronic cell array structure [J]. WSEAS transactions on circuits and systems， 2014， 13： 224⁃232.