胚胎型仿生硬件细胞电路设计与自修复方法研究

摘要

胚胎型仿生硬件借用分子生物学概念，汲取多细胞生物体的胚胎发育过程的灵感，使得硬件电路也能具有类似于多生物体的自检测、自修复能力。胚胎型仿生硬件由均匀的二维电子细胞阵列组成，该阵列也称为胚胎阵列。在胚胎阵列上可以实现任意数字逻辑功能。本文主要研究和改进了胚胎阵列的结构，设计了两种细胞电路；研究了胚胎型仿生硬件的自修复方法并设计了基于扩展海明码纠错的存储器自修复电路。 本文首先介绍了胚胎型仿生硬件的研究背景和基本原理，总结了课题的国内外研究现状和发展前景；在分析了胚胎阵列的体系结构和重构原理之后，设计了两种基于查找表（LUT）的细胞电路：一种适用于设计定制数字逻辑电路；一种类似于FPGA的通用阵列电路；并针对目前胚胎阵列在布局布线上的冲突提出了阵列改进方案。其次，本文讨论了胚胎型仿生硬件的两层自修复机制；分析了现有细胞各模块的自检测和自修复原理；详细阐述了如何将扩展海明码应用于细胞存储器在线自修复电路中；分别设计了针对两种细胞电路的存储器自修复电路。最后，以4×4平行乘法器和串行数据检测器为例，分别验证了两种细胞电路所组成的胚胎阵列的功能及其自修复能力；通过在两种细胞电路中添加存储器自修复电路，验证了胚胎型仿生硬件的两层自修复机制。 仿真结果证明：（1）在分别由两种细胞电路所组成的胚胎阵列上均能够实现预期的数字逻辑功能，并能够通过重构实现阵列级自修复；（2）改进的胚胎阵列结构从一定程度上解决了阵列设计中的布局布线问题；（3）基于扩展海明码的存储器自修复电路能够有效的实现细胞中存储器的在线自修复。