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Evolution of Transistor Circuits

Trefzer, Martin Albrecht

German Title: Evolution von Transistorschaltungen

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Abstract

Der Entwurf von analogen Schaltungen ist ein Bereich der Elektronikentwicklung, der dem Entwickler ein hohes Maß an Wissen und Kreativität beim Lösen von Problemen abverlangt. Bis heute gibt es nur rudimentäre analytische Lösungen um die Bauteile von Schaltungen zu dimensionieren. Motiviert durch diese Herausforderungen, konzentriert sich diese Arbeit auf die automatische Synthese analoger Schaltungen mit Hilfe von Evolutionären Algorithmen. Als analoges Substrat wird ein FPTA benutzt, das ein Feld von konfigurierbaren Transistoren zur Verfügung stellt. Der Einsatz von echter Hardware bietet zwei Vorteile: erstens können entstehende Schaltungen schneller getestet werden als mit einem Simulator und zweitens funktionieren die gefundenen Schaltungen garantiert auf einem echten Chip. Softwareseitig eignen sich Evolutionäre Algorithmen besonders gut für die Synthese analoger Schaltungen, da sie keinerlei Vorwissen über das Optimierungsproblem benötigen. In dieser Arbeit werden neue genetische Operatoren entwickelt, die das Verständnis von auf dem FPTA evolutionierten Schaltungen erleichtern und außerdem Lösungen finden sollen, die auch außerhalb des Substrates funktionieren. Dies ist mit der Hoffnung verbunden, möglicherweise neue und ungewöhnliche Schaltungsprinzipien zu entdecken. Weiterhin wird ein mehrzieliger Optimierungsalgorithmus implementiert und verfeinert, um die Vielzahl von Variablen berücksichtigen zu können, die für die gleichzeitige Optimierung von Topologie und Bauteiledimensionierung notwendig sind. Die vorgeschlagenen genetischen Operatoren, sowie die mehrzielige Optimierung werden für die Evolution von logischen Gattern, Komparatoren, Oszillatoren und Operationsverstärkern eingesetzt. Der Ressourcenverbrauch der durch Evolution gefundenen Schaltungen wird damit vermindert und es ist möglich in einigen Fällen einen übersichtlichen Schaltplan zu erstellen. Ein modulares System für die Evolution von Schaltungen auf konfigurierbaren Substraten wurde entwickelt. Es wird gezeigt, dass mit diesem System FPTA-Architekturen modelliert und direkt für Evolutionsexperimente verwendet werden können.

Translation of abstract (English)

Analog circuit design is a discipline of electronic design, that demands a lot of knowledge and experience as well as a considerable amount of creativity in solving diverse problems from the designer and there are to date only rudimentary analytical solutions for parameterizing circuit topologies. Motivated by the latter challenges, this thesis focuses on the analog design automation for FPTA architectures by means of evolutionary algorithms. The advantages of using real hardware for circuit evolution are the significantly faster evaluation of candidate solutions compared to a simulator and the fact that found solutions are guaranteed to work on a real-world substrate. On the software side evolutionary algorithms are particularly well suited for analog circuit synthesis since they do not require prior knowledge of the optimization problem. New genetic operators are developed within this thesis aiming to facilitate the understanding of evolved FPTA circuits and to find solutions that can be transfered to other technologies. A great hope is thereby to possibly discover unusual, new design principles. Furthermore, a multi-objective algorithm is implemented and refined, in order to allow for taking the numerous variables into account, that are required for optimizing the topology and the dimensioning of transistor circuits. The proposed genetic operators and the multi-objective approach are successfully applied to the evolution of logic gates, comparators, oscillators and operational amplifiers. It is achieved to reduce the resource consumption of evolved circuits and in some cases it is possible to generate clear schematics of good solutions. A modular framework for the evolution of circuits on configurable substrates has been developed, which is used to perform the experiments and is further demonstrated to be useful for modeling FPTA architectures and subsequently using them in evolution experiments.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Meier, Prof. Dr. Karlheinz
Date of thesis defense: 13. December 2006
Date Deposited: 21. Dec 2006 07:46
Date: 2006
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Evolution, Genetisch, Algorithmus, Analog, Transistor, FPTA, Schaltung, CMOS, EA, GA
Uncontrolled Keywords: Evolution , Genetisch , Algorithmus , Analog , Transistor , FPTA , Schaltungevolution , genetic , algorithm , analog , transistor , FPTA , circuit , CMOS , EA , GA
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