蔡金燕,朱 賽,孟亞峰

(軍械工程學院電子與光學工程系,河北石家莊 050003)

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一種新型的仿生電子細胞基因存儲結構

蔡金燕,朱 賽,孟亞峰

(軍械工程學院電子與光學工程系,河北石家莊 050003)

基因存儲是電子細胞的重要組成部分,已有的基因存儲無法兼顧系統(tǒng)的可靠性和硬件消耗.設計了一種新型的基因存儲結構,細胞采用相關冗余方式存儲系統(tǒng)的部分基因.通過基因更新過程,基于相鄰細胞的基因信息恢復故障細胞損失的基因.細胞內(nèi)存儲基因數(shù)目與陣列和目標電路規(guī)模無關,可由設計者根據(jù)系統(tǒng)需求設置.理論分析和仿真實驗表明,該基因存儲不僅實現(xiàn)了陣列功能分化和自修復,而且可在保持系統(tǒng)可靠性的前提下,降低基因存儲的硬件消耗,可用于大規(guī)模仿生自修復芯片的設計.

胚胎電子陣列;自修復;部分基因循環(huán)存儲;基因移位;基因備份數(shù)目

電子學報URL:http://www.ejournal.org.cn DOI:10.3969/j.issn.0372-2112.2016.08.021

1 引言

胚胎電子陣列是一種新型的仿生電子硬件,基于該硬件實現(xiàn)的目標電路具有快速自修復能力[1].胚胎電子陣列中基本單位為仿生電子細胞,經(jīng)典的仿生電子細胞中,95%的硬件消耗來源于基因存儲[2],研究者以降低硬件消耗為目的,在全存儲基礎上,提出了多種基因存儲結構,如只存儲所在行/列表達基因的行/列存儲與循環(huán)變形存儲[3]、只存儲部分相鄰細胞表達基因的部分基因存儲[4]、只存儲自身和其后一個鄰居細胞的循環(huán)備份存儲[5]、原核存儲[6,7]等.

全存儲、行/列存儲、循環(huán)變形存儲及部分基因存儲中采用硬件冗余方式,硬件消耗大.同時,用于通用自修復芯片設計時,芯片內(nèi)存儲規(guī)模與芯片規(guī)模呈非線性增長關系,當芯片規(guī)模較大時,所需基因存儲規(guī)模巨大.循環(huán)備份存儲、原核存儲中采用相關冗余方式,降低了硬件消耗,但由于基因備份數(shù)目較少,系統(tǒng)可靠性較低.

水平基因轉移(Horizontal Gene Transfer,HGT)能跨越物種隔離,在親緣關系或遠或近的生物有機體間進行遺傳信息轉移.水平基因轉移能幫助受體生物繞過通過點突變和重組創(chuàng)造新基因的緩慢過程,從而加速基因組的革新和進化[8].對于生物菌群,通過高效的基因水平轉移,遺傳物質(zhì)頻繁交換,其致病性和耐藥性不斷提高[9].

早期真核生物以單細胞形式存在,該階段的另一種形式的基因轉移—胞內(nèi)基因轉移(Intracellular Gene Transfer,IGT)對整個真核生物類群的進化產(chǎn)生了深遠影響[8].

受HTG和IGT現(xiàn)象的啟發(fā),提出了一種新型的基因存儲結構—部分基因循環(huán)存儲,該存儲采用相關冗余方式進行基因存儲,通過細胞的IGT、細胞間的HTG進行基因操作,在自修復過程中根據(jù)周圍細胞進行細胞存儲的更新,且基因備份數(shù)目可以根據(jù)實際需求設置,在保持系統(tǒng)可靠性的同時,降低了基因存儲的硬件消耗.電子細胞只存儲自身和其后若干相鄰細胞的表達基因,所存儲的基因數(shù)目與陣列規(guī)模無關,可用于大規(guī)模通用自修復芯片的設計.

2 部分基因循環(huán)存儲結構

2.1 細胞及基因存儲結構

部分基因循環(huán)存儲中,細胞內(nèi)存儲自身和其后連續(xù)k-1個細胞的表達基因,k為基因備份數(shù)目,根據(jù)目標可靠性及硬件消耗需求在設計階段確定.對于具有n個細胞的陣列,第i個細胞的表達基因記為gi,1≤i≤n,則細胞Ci內(nèi)的存儲基因為gi～gi+k-1.

基于部分基因循環(huán)存儲的細胞結構如圖1所示.由邏輯模塊(Logical Block,LB)、開關盒(Switch Box,SB)、內(nèi)建自測試(Built-In Self-Test,BIST)、基因存儲單元(Memory Unit)和狀態(tài)控制電路(State Control Circuit)組成.LB、SB和BIST采用已有研究成果[10],本文不再贅述.

圖1中所示Ci細胞結構中,RunState為陣列運行狀態(tài)信號,當RunState=0時,陣列為功能分化狀態(tài),RunState為1時,陣列處于運行狀態(tài);Ci-1SE為細胞Ci-1的移位使能信號,Ci-1SE=1,細胞Ci-1的存儲單元可以移位,否則,其存儲單元停止移位;Ci+1FS、Ci+2FS、…、Ci+k-1FS為其后相鄰的k-1個細胞的故障信號,CjFS=1表示細胞Cj發(fā)生故障,否則,Cj正常.

基因存儲單元存儲細胞所需基因,GI為輸入基因,GO為輸出基因;基因存儲單元具有k個基因寄存器r1、r2、…、rk,每個寄存器存儲一個基因,且r1存儲細胞的表達基因;第i個寄存器ri的輸出為rio;寄存器的0位為基因標記,rio(0)=0時ri內(nèi)為空閑基因,rio(0)=1時ri內(nèi)為功能基因;ri的輸入由2-1多路復用器Mi選擇,以控制存儲單元中基因的移動方向.每個寄存器移位與否可單獨控制,其移位使能信號RiSE由第i個寄存器控制電路(Register Control Circuit,RC)RCi產(chǎn)生,RiSE=1時ri可以移位,否則ri不能移位.

狀態(tài)控制電路根據(jù)陣列狀態(tài)和其后k-1個后續(xù)細胞的狀態(tài)產(chǎn)生存儲單元的移位使能信號和移位控制信號,控制存儲單元內(nèi)基因的移位,完成陣列的功能分化和自修復.

2.2 陣列中的基因存儲串

陣列中相鄰細胞的GI端和GO端相連,組成圖2所示環(huán)狀結構,所有細胞內(nèi)的基因存儲構成基因存儲串.

陣列具有一個母細胞,進行與外界信息交互,如圖2中(1,1)細胞.母細胞通過2-1多路復用器M根據(jù)陣列運行狀態(tài)信號RunState選擇輸入.當陣列為功能分化狀態(tài),母細胞的輸入為基因配置串ConfGene;陣列處于運行狀態(tài)時其輸入為基因存儲串末端細胞的輸出,整個陣列內(nèi)的基因存儲構成環(huán)狀,進行基因的傳遞.

2.3 基因移位

與IGT和HTG類似,陣列的分化及自修復通過細胞內(nèi)和細胞間基因移位完成.

細胞內(nèi)基因移位包括順時針非循環(huán)移位、順時針循環(huán)移位和逆時針循環(huán)移位,在移位控制信號CiS的控制下執(zhí)行.CiS=00時,細胞進行順時針非循環(huán)移位,在時鐘驅動下,r1內(nèi)基因移至r2、r2內(nèi)基因移位至r3、…、rk-1內(nèi)基因移位至rk,rk上基因被覆蓋,如圖3(a)所示;CiS=01時執(zhí)行順時針循環(huán)移位,在順時針非循環(huán)移位的基礎上,rk上的基因移位到r1,如圖3(b)所示;當CiS=1x時,為逆時針循環(huán)移位模式,rk內(nèi)基因移至rk-1、rk-1內(nèi)基因移至rk-2、…、r2內(nèi)基因移位至r1、r1內(nèi)基因移位至rk,如圖3(c)所示.

順時針非循環(huán)移位中,通過控制寄存器的移位使能信號,可以使部分寄存器參與移位.

細胞間基因的移位通過圖2所示基因存儲串進行,通過GI接收前一細胞的輸入,并由GO將基因信息傳遞至后一細胞.

3 控制電路

控制電路產(chǎn)生存儲單元的移位控制信號及寄存器移位使能信號,完成陣列的功能分化和自修復過程,包括狀態(tài)控制電路和寄存器控制電路.

3.1 陣列的分化和自修復

3.1.1 陣列的分化過程

對于具有n個電子細胞、基因備份數(shù)目為k的陣列,分化所需基因配置串為g1g2…gng1g2…gk-1.

在陣列全局時鐘的控制下,基因配置串以gk-1到g1的次序送入母細胞,通過細胞間和細胞內(nèi)的移位將各細胞的表達基因移位至其r1寄存器,完成陣列的分化:細胞間基因由母細胞的GI開始,依次在C1、C2、…、Cn等細胞的r1寄存器上擴散;同時陣列中所有細胞執(zhí)行順時針非循環(huán)移位,基因信息在細胞內(nèi)的r1、r2、…、rk寄存器上傳遞.經(jīng)過n+k個周期的移位,所有基因移位到相應的寄存器中,陣列分化過程完成.

3.1.2 陣列的自修復過程

陣列的自修復是在控制細胞的控制下,通過細胞基因存儲的更新完成的.陣列中的每個細胞均具有控制能力,自修復過程中控制細胞及需要更新基因的細胞更新范圍確定規(guī)則如下:

規(guī)則1:當陣列中出現(xiàn)一個故障細胞時,位于故障細胞前的正常細胞為控制細胞,更新范圍包括位于故障細胞后的正常細胞及一個空閑細胞;

規(guī)則2:當陣列中出現(xiàn)多個相鄰細胞故障時,位于故障細胞前的正常細胞為控制細胞,更新范圍為位于故障細胞后的正常細胞及與故障細胞相同數(shù)目的空閑細胞;

規(guī)則3:當陣列中出現(xiàn)兩個不相鄰的細胞同時發(fā)生故障時,首先按照規(guī)則1對位置較為靠后的故障細胞進行操作,操作完成后,再按照規(guī)則1對位置靠前的故障細胞進行操作.

在控制細胞的控制下,陣列開始自修復過程:首先控制細胞計算其后k-1個細胞中故障細胞數(shù)目,記為fcn,fcn≤k-1,自身基因進行fcn次逆時針循環(huán)移位;其次控制自身及更新范圍內(nèi)的細胞進行基因更新,同時進行fcn次移位,控制細胞進行順時針循環(huán)移位,其他細胞進行順時針非循環(huán)移位.

基因更新過程中,故障細胞處于“透明”狀態(tài),其基因存儲不參與移位,控制細胞內(nèi)的基因直接傳遞到故障后面的細胞;基因更新過程中,更新范圍內(nèi)細胞中空閑基因后的寄存器不參與移位.

通過以上操作,可以完成陣列的自修復,耗時(fcn+fcn=2*fcn)個時鐘周期.

3.2 狀態(tài)控制電路

對于圖1所示Ci細胞,CCI為后方細胞控制角色信號,CCI=1表示后方存在控制細胞,否則,后方細胞全部為非控制細胞;CCO為輸出控制角色信號,該信號為前方細胞的CCI信號.設置控制角色信號CE,CE=1則Ci為控制細胞,否則Ci不是控制細胞.

3.2.1 電子細胞狀態(tài)

由3.1節(jié)可知,基于本文基因存儲的電子細胞在運行過程中具有功能分化、正常運行及自修復三種狀態(tài).

陣列進行3.1.1節(jié)所述的功能分化時,所有細胞處于功能分化狀態(tài).基因配置信息由母細胞開始在基因配置串上的細胞及細胞內(nèi)部的寄存器間擴散,所有細胞的存儲單元執(zhí)行順時針非循環(huán)移位操作;

陣列無故障運行過程中,所有細胞處于正常運行狀態(tài),執(zhí)行3.1.2所述控制細胞判斷狀態(tài),細胞存儲單元無操作;

陣列中細胞發(fā)生故障時,控制細胞及更新范圍內(nèi)的細胞轉至自修復狀態(tài),狀態(tài)控制電路產(chǎn)生控制信號完成修復過程所需基因移位操作.

3.2.2 狀態(tài)控制電路功能與實現(xiàn)

為了完成細胞整個生命周期的控制,狀態(tài)控制電路需要具有控制角色判斷、存儲單元控制功能.

正常運行狀態(tài)下,狀態(tài)控制電路根據(jù)控制角色判斷規(guī)則進行控制角色信號的生成,由3.2.1節(jié)可知,角色判斷功能為

(1)

功能分化、自修復狀態(tài)下,進行各種基因操作,的狀態(tài)控制電路在陣列運行狀態(tài)信號RunState、細胞控制角色信號CE、前面細胞移位使能信號Ci-1SE及其狀態(tài)信號Ci-1ST決定存儲單元的移位使能信號CiSE.具體規(guī)則如表1所示.

表1 存儲單元移位使能信號確定規(guī)則

細胞狀態(tài)信號Ci-1ST=0時,細胞處于空閑狀態(tài),其表達基因為空閑基因,Ci-1ST=1時細胞處于激活狀態(tài),其表達基因為功能基因,因此細胞的狀態(tài)信號與其表達基因的標志一致,有Ci-1ST=Ci-1r1o(0).則狀態(tài)控制電路中移位使能信號產(chǎn)生電路功能為

(2)

自修復過程中,控制細胞、更新范圍內(nèi)細胞進行基因移位時,移位次數(shù)與故障細胞數(shù)目相關,故障細胞數(shù)目fcn計算為

fcn=Ci+1FS+Ci+1FS*Ci+2FS+…

+Ci+1FS*Ci+2FS*…*Ci+k-1FS

(3)

移位過程中,使用計數(shù)器進行移位次數(shù)的計數(shù).在更新準備階段,到移位次數(shù)達到fcn時,停止移位,開始基因更新階段,并重新開始計數(shù),當再次計數(shù)到fcn時,自修復完成.

為了避免同時出現(xiàn)兩個控制細胞,陣列中一旦出現(xiàn)控制細胞,便將控制細胞信號向前傳遞,由下式實現(xiàn)

CCO=CCI+CE

(4)

實現(xiàn)上述功能的狀態(tài)控制電路如圖4所示.

3.3 寄存器控制電路

在功能分化及自修復過程中的控制細胞準備階段,細胞所有的基因存儲寄存器均參與移位.在自修復過程的基因更新階段,非控制細胞內(nèi)空閑基因后的寄存器不參與移位,需要寄存器控制電路根據(jù)細胞狀態(tài)及前方寄存器移位狀態(tài)產(chǎn)生相應的寄存器移位控制信號.

對于細胞中的第i個基因存儲寄存器,其移位使能信號RiSE由陣列狀態(tài)信號RunState、細胞控制角色信號CE和第i-1個寄存器移位狀態(tài)Ri-1SE及其基因標識ri-1o(0)確定,其確定規(guī)則如表2所示.

當i=1時,即對于細胞內(nèi)的第一個基因存儲寄存器,其移位使能信號由RunState、CE和存儲單元移位使能信號CiSE確定.

表2 寄存器控制電路功能表

則基因寄存器移位控制電路功能為

(5)

4 分析對比

結合所提基因存儲在自修復過程中的特點,對其可靠性、硬件消耗及在大規(guī)模通用自修復芯片中的應用進行了分析.分析過程中設陣列規(guī)模為M×N,目標電路規(guī)模為m×n,基因寬度為w.

4.1 可靠性分析

根據(jù)自修復過程的基因更新特征,設每個細胞可靠性符合指數(shù)分布,即r(t)=e-λt,自修復過程中采用列移除自修復,則系統(tǒng)可靠性函數(shù)[11]為

(6)

其中Rrr(t)=r(t)m=e-mλt為每一行的可靠度.

系統(tǒng)的失效前平均時間(Mean Time to Failure,MTTF) MTTFtrr為

(7)

對于規(guī)模為20*20的目標電路,當其在20*30、20*40、20*50、20*60、20*70、20*80等不同規(guī)模的陣列上實現(xiàn),且基因備份數(shù)目在[2,20]變化時,系統(tǒng)MTTF的變化如圖5所示.

由圖5可以看出,系統(tǒng)的MTTF與陣列規(guī)模和基因備份數(shù)目相關.當陣列規(guī)模越大時,系統(tǒng)中冗余行/列數(shù)目越大,其MTTF越大,這一特性與已有基因存儲是一致的.

由于具有基因更新過程,當基因備份數(shù)目較小時,系統(tǒng)MTTF隨基因備份數(shù)目的增加而快速升高,當基因備份數(shù)目稍大時,系統(tǒng)MTTF趨于穩(wěn)定.

已有的循環(huán)備份基因存儲和原核基因存儲也存在基因更新過程,但其基因備份數(shù)目為2,由圖5可知,其系統(tǒng)MTTF較低.而本文基因存儲可以任意設置基因備份數(shù)目,通過將基因備份數(shù)目設置為5～10,可以在較小的基因備份數(shù)目下取得較大的系統(tǒng)可靠性,使得本文基因存儲避免了循環(huán)備份基因存儲和原核基因存儲中系統(tǒng)可靠性低的問題.

4.2 硬件消耗分析

本文基因存儲的硬件消耗主要包括兩部分:基因存儲和控制電路,首先對基因存儲和控制電路在Xilinx ISE 12.2中進行了實現(xiàn),通過綜合分析了其硬件消耗,其次根據(jù)硬件消耗模型,分析了基因存儲的硬件消耗MOS管數(shù)目.

4.2.1 控制電路硬件消耗分析

為了研究控制電路硬件消耗,在Xilinx ISE 12.2中對控制電路和基因存儲進行了實現(xiàn),并通過XST進行了電路綜合,統(tǒng)計綜合后使用Slice、FF及LUT數(shù)目.

通過3.2節(jié)可知,控制電路只與基因備份數(shù)目k相關,而與基因寬度w無關;而基因存儲與基因備份數(shù)目和基因寬度均相關.因此,在不同的基因備份數(shù)目、基因寬度下進行了基因存儲的實現(xiàn).設基因備份數(shù)目分別為4、8、16、32、64和128,基因寬度分別為32、64、128,基因存儲和控制電路的硬件消耗如表3所示.

由表3所示不同基因備份數(shù)目和基因寬度下存儲單元和控制單元硬件消耗可以看出,存儲單元的硬件消耗隨著基因備份數(shù)目和基因寬度的增加而增加,這是由于隨著基因備份數(shù)目、基因寬度的增加,存儲單元中需要的寄存器數(shù)目相應增加造成的,因此硬件消耗中FF數(shù)目隨著基因備份數(shù)目、基因寬度增加明顯,而存儲單元中邏輯電路消耗較少,且隨基因寬度變化不大,如表3中4-LUT數(shù)目;控制電路的硬件消耗隨著基因備份數(shù)目的增加而增加,FF消耗數(shù)目較少,而邏輯電路所消耗4-LUT數(shù)目隨著基因備份數(shù)目的增加而顯著增加,這是由于控制電路中計算式(3)與基因備份數(shù)目相關造成的,當基因備份數(shù)目較大時,式(3)的計算需要較大的邏輯電路完成.

當基因備份數(shù)目較小時,控制電路硬件消耗與基因存儲的硬件消耗比較小,如k≤16時,消耗比低于6.6%,當基因備份數(shù)目較大時,控制電路硬件消耗增加,當k=64,w=32時,消耗比達到16.3%,其余均在15%以下.

表3 基因存儲與控制電路的硬件消耗

通過選擇較小的基因備份數(shù)目,可以在保持系統(tǒng)可靠性變化不大的情況下降低基因存儲的硬件消耗,同時降低控制電路的硬件消耗.當基因備份數(shù)目小于16時,控制電路的硬件消耗可以忽略不計.

4.2.2 基因存儲消耗分析

本文存儲結構基于寄存器實現(xiàn),使用MOS管數(shù)目計算基因存儲的硬件消耗,其計算模型[11]為

H=M*N*k*w*24

(8)

對于5.1節(jié)的目標電路,若陣列基因寬度為57[10],則硬件消耗如圖6所示.

由圖6可以看出,消耗MOS管數(shù)目隨著基因備份數(shù)目的增加而線性上升,且陣列規(guī)模越大,其上升速度越快.

結合圖5可以看出,通過選擇較小的基因備份數(shù)目,可以在保持較大的系統(tǒng)MTTF的情況下降低系統(tǒng)的硬件消耗.

4.3 大規(guī)模自修復芯片中的應用分析

仿生電子細胞一個重要研究目的是研制具有自修復能力的通用仿生芯片,其上運行的目標電路規(guī)模不確定,有1≤m≤M,1≤n≤N.為了支持不確定規(guī)模的目標電路運行,細胞內(nèi)所需基因存儲規(guī)模有:

全存儲:max(m*n);

行列存儲存儲:max(n);

部分基因存儲:max((M-m+1)*(N-n+1));

循環(huán)變形存儲:max(n);

則不同存儲用于設計通用自修復芯片時,細胞內(nèi)及陣列內(nèi)所需基因存儲規(guī)模如表4所示.

由表4可以看出,全存儲、行/列存儲、部分基因存儲和循環(huán)變形存儲細胞內(nèi)存儲規(guī)模與陣列規(guī)模相關,芯片中所需基因存儲規(guī)模與陣列規(guī)模呈非線性增加關系;循環(huán)備份存、原核存儲及本文存儲中細胞內(nèi)存儲規(guī)模為常數(shù),與陣列規(guī)模無關,芯片中所需基因存儲規(guī)模與陣列規(guī)模成線性增長關系.

當芯片規(guī)模從10*10到100*100變化,分別采用全存儲、行/列存儲、部分基因存儲、循環(huán)變形存儲、循環(huán)備份存儲、原核細胞存儲及本文存儲時,且采用本文存儲時,基因備份數(shù)目k取10,芯片中存儲規(guī)模如圖7所示.

由圖7可以看出,當芯片行/列數(shù)目從10增加到100,即芯片中細胞數(shù)目增加100倍時,全存儲、部分基因存儲的規(guī)模從104增加到108,增加了104倍;行/列存儲、循環(huán)變形存儲從103增加到106,增加了103倍;循環(huán)變形存儲、原核存儲從2*102增加到2*104,增加了100倍;本文存儲在基因備份數(shù)目k=10時,基因存儲規(guī)模由103增加到105,增加了100倍.當芯片行/列數(shù)目為100時,全存儲、部分基因存儲,行/列存儲、循環(huán)變形存儲,本文存儲(k=10),循環(huán)備份存儲、原核存儲所需存儲規(guī)模比例為108∶106∶105∶2*104,即104∶102∶10∶2=104∶102∶k∶2.

表4 芯片中存儲規(guī)模

5 實驗驗證

采用本文基因存儲結構在Xilinx ISE 12.2環(huán)境中對文獻[4]中的半加器進行實現(xiàn),陣列規(guī)模為6行5列,并利用ISE自帶的仿真軟件ISim對功能分化及自修復過程進行仿真.

實驗中以第一列細胞為觀察對象,記為C1、C2、C3、C4、C5、C6,其表達基因分別為3207、3079、903、903、4097、4097,其中4097為空閑基因,C5、C6為空閑細胞.為了對功能基因和空閑基因進行識別,需要增加基因標志位,實際存儲基因為6415、6159、1807、1807、8194、8194.基因備份數(shù)目k設置為4.實驗中監(jiān)測細胞基因存儲器內(nèi)容及關鍵控制信號,Cirj為第i個細胞的第j個寄存器存儲內(nèi)容;CirjCE為第i個細胞內(nèi)第j個寄存器的移位控制信號.

5.1 陣列的功能分化及單細胞故障自修復

按照3.1.1節(jié)基因配置串規(guī)則,分化過程所需輸入配置ConfGene為1807、6159、6415、8194、8194、1807、1807、6159、6415.230ns陣列的狀態(tài)控制信號RunState置為0,開始功能分化.在時鐘clk的驅動下,配置基因依次送入母細胞,并由母細胞的r1寄存器開始在陣列上按照3.1節(jié)規(guī)則擴散.430ns,細胞表達基因均存入其第一個基因寄存器中,且細胞內(nèi)另外三個寄存器存儲后續(xù)三個細胞的表達基因,陣列分化完成,耗時10個時鐘周期.具體過程如圖8所示.

在陣列運行過程中,480ns C2細胞故障,自檢單元發(fā)出細胞故障信號,C2FS置為高,開始自修復過程:

(1)C1為修復控制細胞,進行一個周期的逆時針循環(huán)移位,如500ns所示;

(2)C1進行一次順時針循環(huán)移位,同時陣列中的C3、C4、C5進行一次順時針非循環(huán)移位,如520ns所示.

至520ns,故障細胞C2的表達基因6159移至C3的r1寄存器,由C3細胞表達,C3、C4的功能分布由C4、C5執(zhí)行,完成故障的自修復,耗時2個時鐘周期.

5.2 相鄰多細胞故障的自修復

480ns相鄰的C2、C3細胞故障,細胞故障信號C2FS、C3FS置為高.C1轉變?yōu)榭刂萍毎?控制完成整個自修復過程,如圖9所示.

首先,C1內(nèi)基因信息逆時針循環(huán)移位兩次,為基因更新做準備,如480ns～520ns所示;然后C1和更新范圍內(nèi)細胞同時進行兩次順時針循環(huán)移位和順時針非循環(huán)移位,完成基因的更新,如520ns～560ns所示.

至560ns,故障細胞C2、C3功能由其后的C4、C5執(zhí)行,C4的表達基因1807移至C6細胞的r1寄存器,由C6表達,陣列完成自修復,耗時4個時鐘周期.

通過實驗可以看出,所設計的部分基因循環(huán)存儲通過細胞內(nèi)和細胞間基因移位,能夠完成陣列的分化和自修復,且分化、自修復時間較短.

6 總結

設計了一種新型的基因存儲方式—部分基因循環(huán)存儲,采用了相關冗余進行基因存儲,細胞只存儲系統(tǒng)的部分基因,自修復過程中通過相鄰細胞的基因存儲進行基因更新,更新過程中無需故障細胞參與,可適用于細胞的多種故障的自修復.

模仿生物的HTG和IGT現(xiàn)象,所提出的基因存儲通過細胞間、細胞內(nèi)的基因移位進行陣列的功能分化和自修復,分化耗時(細胞個數(shù)+基因備份數(shù)目)個時鐘周期,自修復耗時(故障細胞數(shù)目*2)個時鐘周期,分化過程迅速,而自修復時耗與故障細胞數(shù)目相關,耗時極短.

該基因存儲中基因備份數(shù)目與目標電路和陣列的規(guī)模無關,通過選擇基因備份數(shù)目,可在保持系統(tǒng)可靠性的基礎上降低硬件消耗.且系統(tǒng)中基因存儲規(guī)模與陣列規(guī)模成線性關系增加,可用于大規(guī)模通用芯片的設計.

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蔡金燕 女,1961年生于天津.教授,博士生導師.研究方向為電子系統(tǒng)性能檢測與故障診斷、電子系統(tǒng)可靠性分析與設計及電子系統(tǒng)仿生自修復設計.

E-mail:radarc@126.com

朱 賽 男,1987年生于河南鄲城.博士研究生,研究方向為電子系統(tǒng)仿生自修復設計.

A Novel Gene Memory Structure for Bio-inspired Electronic Cell

CAI Jin-yan,ZHU Sai,MENG Ya-feng

(DepartmentofElectronicandOpticalEngineering,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang,Hebei050003,China)

Gene memory is an important part of electronic cell,and the existing genes memory structure cannot take into account the reliability and hardware cost.A novel gene memory structure named partial-DNA cyclic memory was presented,and only part of the system’s entire DNA was stored with correlated redundancy.The lost genes caused by faulty cells could be obtained through gene update according to the faulty cells’ neighbor cells.The stored gene number is independent form the scale of embryonics array and target circuit,and can be set according to actual demand in design process.Theoretical analysis and simulation results show that the novel gene memory not only to achieve the embryonics array’s functional differentiation and self-repair,but also reducing hardware overhead while keeping system reliability.The proposed gene memory can be used to design larger scale self-repair chip.

embryonics array;self-repair;partial-DNA cyclic memory;gene shift;gene backup number

2014-12-06;

2015-08-02;責任編輯:藍紅杰

國家自然科學基金(No.61372039,No.61271153)

TP302.8

A

0372-2112 (2016)08-1915-09