Virtapiirien kehittyminen

Alan Bellows on kirjoittanut erittäin selkeän ja opettavaisen artikkelin siitä kuinka geneettinen algoritmi muovaa erikoista virtapiiriä. On jälleen aika kääntää tekstiä suomeksi.

Kyseessä on tohtori Adrian Thompsonin (Sussexin yliopistosta) kehittelemä koe, jossa muokattava virtapiiri tuli hardware evolution-termin perustaksi. Tuon virtapiirin nimi on helppo muistaa; Field-Programmable Gate Array (FPGA). FRGA:n ominaisuuksia pystytään tarvittaessa säätämään alusta loppuun uusiksi, toisin kuin yleisimpien virtapiirien muuttumattomat kaavat. Tällainen muokattava virtapiiri on kuumempi ja hitaampi, mutta se voi toimia modeemina, äänitunnistajana, ääniprosessorina, tai minä tahansa tietokoneen komponenttina.

Thompson aloitti määrittelemällä tavoitteen sirulle: sen pitäisi luotettavasi tunnistaa kaksi eri taajuutta. Perinteinen siru sisältäisi satoja tuhansia valmiiksi ohjelmoitua kohtia, eikä kokisi ongelmia tehtävän suorittamisessa. Thompson halusi varmistaa, että hänen kehittyvä sirunsa keksisi aivan uuden tavan ratkaista tehtävä.
FPGA-siru on kymmenen solua leveä ja kymmenen solua korkea, eli vain 100 logiikkaporttia (logic gates). Hän ei antanut sirun systeemille kelloa, joten se ei kyennyt synkronoimaan digitaalisia resursseja perinteisellä tavalla.

Sirun lähteeksi hän otti satunnaisen kasan, 50 sattumanvaraista sarjaa nollia ja ykkösiä. Nämä sarjat ladattiin yksitellen FPGA-sirulle, ja sille soitettiin kaksi eri taajuutta. Jokaisen sirun suoritus mitattiin. Ei liene yllätys, että ensimmäiset sattumanvaraiset sarjat eivät olleet toimivia. Jopa parhaimmat suoritukset olivat niin riittämättömiä, että testiohjelma joutui jakamaan niitä paremmuusjärjestykseen mitä hienoimpien erojen avulla. Geneettinen algoritmi poisti huonoimmat. Selviytyjien virtuaalinen DNA sekoittui keskenään. Joitain mutaatioita sallittiin tapahtua, eli ohjelma vaihtoi satunnaisesti jonkun nollan ykköseksi tai ykkösen nollaksi.

Ensimmäisen sadan sukupolven aikana ilmeni vain muutamia lupaavia merkkejä. Mutta sukupolvi nro 220:n paikkeilla FPGA-siru matki sen vastaanottamia signaaleja. Tämä oli vielä kaukana tavoitteesta, mutta se oli kuitenkin edistystä. Sirun suoritus parani pienissä askeleissa, kun päättymätön virtuaaliorgia jatkoi etenemistään. Sukupolvi nro 650:n kohdalla siru kykeni reagoimaan taajuuteen 1kHz, ja sukupolvi nro 1400 aikoihin se pystyi tunnistamaan kummankin taajuuden hieman yli 50% todennäköisyydellä.

4000 sukupolven jälkeen siru toimi kuten oli tarkoitus. Testi oli päättynyt. Thompson soitti merkin 1kHz taajuudella, ja siru reagoi epäröimättä, kytkien voiman nollaan volttiin. Kun Thompson antoi sille merkin 10kHz taajuudella, niin siru kytki päälle viiden voltin virran. Thompson halusi sirun vielä reagoivan "stop" ja "go" ääniin. Tämä vaati parisen sataa ylimääräistä sukupolvea. Kuten ennustettiin, luonnonvalinnan periaatteet voisivat tuottaa erikoistuneita virtapiirejä käyttäen vain murto-osaa ihmisen vaatimista resursseista. Eikä kenelläkään ollut ideaa kuinka siru toimi.

Thompson katsoi kehittyneen sirun sisään, oppiakseen kuinka se pelasi, mutta löytö oli tyrmäävä. Siru oli käyttänyt vain 37 kpl sadasta logiikkaportista, ja useimmat niistä olivat oudoissa takaisinkytkennöissä. Viisi yksittäistä logiikkaporttia toimi erillään itse päätoimea hoitavista porteista. Kun näihin kajottiin, niin siru ei enää toiminut. Nämä ylimääräiset takaisinkytkennät olivat epätavallinen tapa hallita piirin toimintaa. Lisäksi, lopullinen testin läpikäynyt ohjelma ei toiminut luotettavasti, kun se ladattiin toiseen FPGA-siruun. Ohjelma oli sopeutunut tietyn virtapiirin elektromagneettisiin ominaisuuksiin. Eikä siru näyttänyt erottavat ON ja OFF vaihtoehtoja selkeästi, vaan analogisen harmaasti pitkin digitaalista mustaa ja valkoista.



Tällainen sirujen suunnittelu on vasta alussa, mutta kunnon koneiden ja monimutkaisempien FPGA-sirujen avulla geneettinen algoritmi voi ratkaista mitä yllätyksellisempiä ongelmia.