[论文解读] Evolution of Digital Logic Functionality via a Genetic Algorithm.

Christopher M. Frenz, Steve Peters+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2009

Evolutionary Algorithms and Applications被引用 1

一句话总结

本文证明了遗传算法可以仅使用与非门作为基本单元，演化出功能完整的数字逻辑电路——特别是与、或、异或、或非和与或非门。该方法成功演化出正确的门电路互连结构，证明了进化计算在自动数字电路设计中的潜力。

ABSTRACT

Digital logic forms the functional basics of most modern electronic equipment and as such the creation of novel digital logic circuits is an active area of computer engineering research. This study demonstrates that genetic algorithms can be used to evolve functionally useful sets of logic gate interconnections to create useful digital logic circuits. The efficacy of this approach is illustrated via the evolution of AND, OR, XOR, NOR, and XNOR functionality from sets of NAND gates, thereby illustrating that evolutionary methods have the potential be applied to the design of digital electronics.

研究动机与目标

• 研究遗传算法是否能从基本逻辑门自动生成功能正确的数字逻辑电路。
• 评估仅使用与非门作为构建模块，演化复杂逻辑功能的可行性。
• 证明进化计算可作为数字电子学中手动电路设计的可行替代方案。
• 验证遗传算法在发现实现目标布尔函数所需逻辑门正确互连结构方面的有效性。

提出的方法

• 采用遗传算法演化由互连与非门组成的种群，以生成目标逻辑功能。
• 种群中的每个个体代表一种独特的与非门互连配置。
• 基于演化电路输出与目标逻辑功能预期真值表的匹配程度进行适应度评估。
• 应用诸如交叉和变异等遗传操作，生成后续世代中的新电路配置。
• 通过多代选择适应度更高的个体，迭代优化电路设计。
• 该过程持续进行，直至演化出能正确实现所需逻辑功能的电路。

实验结果

研究问题

• RQ1 遗传算法能否仅从与非门演化出功能完整的数字逻辑电路？
• RQ2 进化计算在多大程度上可通过互连模式复现标准逻辑门的行为？
• RQ3 遗传算法在发现复杂逻辑功能正确门电路互连结构方面的有效性如何？
• RQ4 所演化出的电路是否能在真值表的所有输入组合下实现正确功能？

主要发现

• 遗传算法成功演化出仅使用与非门即可正确实现与、或、异或、或非和与或非逻辑功能的电路。
• 所有目标逻辑功能均通过与各自真值表完全匹配的电路配置实现。
• 该方法表明，通过进化搜索，复杂逻辑功能可从简单基本单元中自然涌现。
• 结果证实，进化计算是自动数字电路综合的一种可行方法。