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Intrinsic Hardware Evolution on the Transistor Level

Langeheine, Jörg

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Abstract

This document presents a slightly improved version of the according Ph.D. thesis available under http://www.ub.uni-heidelberg.de/archiv/5734: This thesis presents a novel approach to the automated synthesis of analog circuits. Evolutionary algorithms are used in conjunction with a fitness evaluation on a dedicated ASIC that serves as the analog substrate for the newly bred candidate solutions. The advantage of evaluating the candidate circuits directly in hardware is twofold. First, it may speed up the evolutionary algorithms, because hardware tests can usually be performed faster than simulations. Second, the evolved circuits are guaranteed to work on a real piece of silicon. The proposed approach is realized as a hardware evolution system consisting of an IBM compatible general purpose computer that hosts the evolutionary algorithm, an FPGA-based mixed signal test board, and the analog substrate. The latter one is designed as a Field Programmable Transistor Array (FPTA) whose programmable transistor cells can be almost freely connected. The transistor cells can be configured to adopt one out of 75 different channel geometries. The chip was produced in a 0.6µm CMOS process and provides ample means for the input and output of analog signals. The configuration is stored in SRAM cells embedded in the programmable transistor cells. The hardware evolution system is used for numerous evolution experiments targeted at a wide variety of different circuit functionalities. These comprise logic gates, Gaussian function circuits, D/A converters, low- and highpass filters, tone discriminators, and comparators. The experimental results are thoroughly analyzed and discussed with respect to related work.

Translation of abstract (German)

Bei dieser Veröffentlichung handelt es sich um eine leicht korrigierte Version der gleichnamigen Doktorarbeit. Das Original ist unter http://www.ub.uni-heidelberg.de/archiv/5734 abzurufen: Diese Arbeit stellt einen neuartigen Ansatz zur automatisierten Synthese analoger Schaltungen vor. Evolutionäre Algorithmen werden dazu benutzt, analoge Schaltungen zu generieren, die auf einem eigens dafür entworfenem Mikrochip, der als analoges Substrat fungiert, getestet werden. Die Tatsache, dass die Güte der von dem evolutionären Algorithmus generierten Schaltungen durch einen Test auf dem oben genannten Mikrochip erfolgt, hat zwei Vorteile. Einerseits kann es den künstlichen Evolutionsprozeß beschleunigen, da der Test einer Schaltung oft schneller erfolgen kann als seine Simulation. Andererseits garantiert diese Vorgehensweise, dass die evolutionierten Schaltungen tatsächlich auf einem echten Chip funktionieren. Die oben beschriebene Methode wird durch ein Hardware-Evolutionssystem realisiert, das aus den folgenden Komponenten besteht: Einem IBM kompatiblen Computer, auf dem der evolutionäre Algorithmus abläuft, einer FPGA basierten gemischt analogen-digitalen Messkarte und dem analogen Substrat. Dieses ist durch ein Field Programmable Transistor Array (FPTA) realisiert, dessen programmierbare Transistorzellen fast beliebig miteinander verschaltet werden können. Die Abmessungen des Transistorkanals können in jeder Transistorzelle aus 75 verschiedenen Kombinationen ausgewählt werden. Der Mikrochip ist in einem 0.6µm CMOS Prozeß hergestellt worden und stellt vielfältige Möglichkeiten analoge Signale anzulegen und auszulesen zur Verfügung. Die Konfiguration des FPTA wird in SRAM Zellen gespeichert, die in die programmierbaren Transistorzellen eingebettet sind. In dieser Arbeit wird das Hardware- Evolutionssystem für die künstliche Evolution einer Vielzahl verschiedener Schaltungstypen verwendet. Die Zielschaltungen sind: Logische Gatter, Schaltkreise mit einer Gauß'schen Ausgangscharakteristik, D/A Wandler, Tief- und Hochpaßfilter, Tondiskriminatoren und Komparatoren. Die Ergebnisse der Experimente werden gründlich analysiert und mit anderen publizierten Arbeiten verglichen.

Item Type: Book
Date Deposited: 11. Nov 2005 09:56
Date: 2005
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Hardware, Hardwareentwurf, Evolutionärer Algorithmus, Analoge integrierte Schaltung, Entwurfsautomation
Uncontrolled Keywords: hardware evolution , evolvable hardware , evolutionary algorithm , analog design automation , analog circuit
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