20040923

Hardware Evolutivo: Motivações

Neste post são abordadas algumas das motivações existentes para a idéia de aplicar processos evolutivos no projeto de sistemas de hardware, na visão de Thompson (1995).

i. Velocidade de Operação

Boa parte das tentativas de se construir sistemas neurais altamente complexos - utilizados para controlar agentes autônomos - têm “esbarrado” em limites tecnológicos inerentes ao meio utilizado. Computadores de propósito geral e arquiteturas paralelas dedicadas não conseguem proporcionar a volatilidade necessária na hora de simular RNAs (Redes Neurais Artificiais) muito complexas. Segundo Thompson (1995), uma solução viável para o problema da velocidade de simulação é implementar RNAs em hardware reconfigurável e utilizar um AE (Algoritmo Evolucionário) para projetar a rede. A viabilidade dessa técnica tem sido sistematicamente avaliada (NORTHMORE, ELIAS, 1993; MURRAY, 1991).

ii. Exploração da Física Semicondutora
(Realidade Física x Abstração: Projeto eletrônico não-convencional)

"O projeto evolutivo de circuitos eletrônicos - designação válida para situações em que um AE é responsável pela produção de circuitos analógicos ou digitais - pode alcançar resultados surpreendentes, como circuitos de estrutura e funcionalidade revolucionários. Teoricamente, essa técnica pode explorar todas as características do hardware (reconfigurável), uma vez que, a cada configuração testada, pode-se avaliar as influências potenciais dos componentes do circuito no comportamento real da implementação." (THOMPSON, 1995, p. 6).

Segundo Thompson (1995), o espaço de busca utilizado em aplicações de hardware evolutivo é muito maior que o espaço disponível a um projetista humano. O projetista trabalha com modelos de alto nível, que procuram descrever, com algum grau de abstração, o comportamento dos blocos constituintes, bem como as interações entre eles. Para reduzir as conseqüências das imperfeições desses modelos na qualidade da implementação são adotadas restrições, como modularizar o projeto - impondo co-residência de funções lógicas, por exemplo - e desprezar os efeitos do transitório dos componentes no comportamento global do circuito (restrição dinâmica). Em um sistema de hardware evolutivo abre-se mão de abstrações e restrições ao projeto eletrônico. Os circuitos produzidos podem explorar propriedades do hardware até então desconhecidas, ou pequenos detalhes físicos do CI (Circuito Integrado), como variações pontuais na resistência elétrica. Visto que dois CIs do mesmo modelo não são rigorosamente idênticos, a transferência de genótipos entre dispositivos é virtualmente impraticável. Apesar disso, algumas opções para melhoria da robustez da técnica têm sido avaliadas: variar, durante a evolução, a temperatura ou a tensão de alimentação do CI (MANGE, 1993), ou fazer um ajuste fino da configuração transferida, por meio da execução de alguns ciclos evolutivos adicionais (MARCHAL et al., 1994).

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MANGE, D. Wet ware as a bridge between computer engineering and biology. In: EUROPEAN CONFERENCE ON ARTIFICIAL LIFE, 2nd., 1993, Brussels. Proceedings…Brussels, 1993. p. 658-667.
MARCHAL, P. et al. Achieving Von Neumann's dream: artificial life on silicon. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON NEURAL NETWORKS, N., 1994, Cidade. Proceedings… 1994. v. 4, p. 2321-2326.
MURRAY, A.F. Pulsed silicon neural networks – following the biological leader. In Ramacher and Rückert, eds., VLSI Design of Neural Networks, p. 103-123. Kluwer Academic Publishers, 1991.
NORTHMORE, D.P.M.; ELIAS, J.G. Evolving synaptic connections for a silicon neuromorph. In: IEEE CONFERENCE ON EVOLUTIONARY COMPUTATION, IEEE World Congress on Computational Intelligence, 1st., 1994, New York. Proceedings… IEEE, New York, 1994.v. 2, p. 753-758.
THOMPSON, A. Evolving electronic robot controllers that exploit hardware resources. In: EUROPEAN CONFERENCE ON ARTIFICIAL LIFE (ecal95), 3rd., 1995. Advances in Artificial Life, Proceedings... Berlim: Springer-Verlag, 1995. p. 640-656.