JP4369783B2 - Hardware simulator - Google Patents

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Description

本発明は、所定のハードウエアから構成され、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーション対象物の変化量をシミュレーションするハードウエアシミュレータに関するものである。   The present invention relates to a hardware simulator that is configured from predetermined hardware and that simulates the amount of change of a simulation object due to a reaction between simulation objects.

従来の化学反応シミュレーション方法としては、例えば、シミュレーションプログラムを計算機で実行することにより、有限温度及び有限時間を設定し、これら有限温度及び有限時間における分子動力学計算を行い、分子動力学計算により求められた励起状態を含む構造のすべてを用いて物質の全原子に働く力がすべて緩和される安定構造を複数求める処理等を行うものがある(特許文献1参照)。   As a conventional chemical reaction simulation method, for example, by executing a simulation program on a computer, a finite temperature and a finite time are set, a molecular dynamics calculation at the finite temperature and a finite time is performed, and a molecular dynamics calculation is performed. In some cases, all of the structures including excited states are used to obtain a plurality of stable structures in which all the forces acting on all atoms of the substance are alleviated (see Patent Document 1).

一方、上記のような化学反応シミュレーションにおいて多数の物質を容易に取り扱うことができるように、本願発明者は、化学反応シミュレーションを所定のハードウエアを用いて行うことを提案しており、この場合、化学反応ごとに反応実行回路が設けられ、この反応実行回路により各物質カウンタの値を増減させてシミュレーションが行われる(特許文献2参照)。
特開2002−260975号公報 特開2002−126497号公報
On the other hand, in order to easily handle a large number of substances in the chemical reaction simulation as described above, the present inventor has proposed that the chemical reaction simulation is performed using predetermined hardware. In this case, A reaction execution circuit is provided for each chemical reaction, and simulation is performed by increasing or decreasing the value of each substance counter by this reaction execution circuit (see Patent Document 2).
JP 2002-260975 A JP 2002-126497 A

しかしながら、すべての事象に対処可能なように各回路を構成したのでは、回路構成が複雑になりすぎるとともに、シミュレーション時間も増加する。特に、稀にしか発生しない事象にも対処可能なように各回路を構成した場合、上記の傾向が顕著になり、装置コストが莫大なものとなる。また、稀にしか発生しない事象に対して人手で対処していたのでは、シミュレーションが長時間中断され、シミュレーション時間がさらに増加する。   However, if each circuit is configured so as to be able to cope with all events, the circuit configuration becomes too complex and the simulation time also increases. In particular, when each circuit is configured so as to be able to cope with an event that occurs rarely, the above-mentioned tendency becomes remarkable, and the device cost becomes enormous. In addition, if an event that occurs rarely is handled manually, the simulation is interrupted for a long time, and the simulation time further increases.

本発明の目的は、回路構成を複雑化することなく、稀にしか発生しないような事象にも自動的に対処することができるように装置構成を修正することができるハードウエアシミュレータを提供することである。   An object of the present invention is to provide a hardware simulator capable of correcting a device configuration so as to automatically cope with an event that rarely occurs without complicating the circuit configuration. It is.

本発明に係るハードウエアシミュレータは、所定のハードウエアから構成され、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーション対象物の変化量をシミュレーションするハードウエアシミュレータであって、シミュレーション対象物に関する値を演算する複数の演算素子と、前記シミュレーション対象物間の反応に応じて前記演算素子の値を変化させる複数の反応回路と、前記シミュレーション対象物間の反応に応じて前記反応回路と前記演算素子との接続を切り替える切り替え回路と、前記演算素子の値を基に所定の修正条件を満たしているか否かを判定し、前記修正条件を満たしていると判定した場合、装置の動作を停止させて前記反応回路と前記演算素子との接続状態を変更するように前記切り替え回路を制御して前記反応回路と前記演算素子との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる修正手段とを備えるものである。   A hardware simulator according to the present invention is a hardware simulator configured from predetermined hardware and simulating a change amount of a simulation target object due to a reaction between the simulation target objects. An arithmetic element, a plurality of reaction circuits that change the value of the arithmetic element according to a reaction between the simulation objects, and a connection between the reaction circuit and the arithmetic element according to a reaction between the simulation objects It is determined whether or not a predetermined correction condition is satisfied based on the switching circuit and the value of the arithmetic element, and when it is determined that the correction condition is satisfied, the operation of the apparatus is stopped and the reaction circuit and the The reaction circuit is controlled by controlling the switching circuit so as to change a connection state with the arithmetic element. After modifying the connection state between said operation elements, in which and a correction means for resuming the operation of the device.

本発明に係るハードウエアシミュレータでは、シミュレーション対象物間の反応に応じてシミュレーション対象物に関する値を演算する複数の演算素子の値が反応回路によって変更されることにより、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーション対象物の変化量がシミュレーションされる。このとき、演算素子の値を基に所定の修正条件を満たしているか否かを判定し、修正条件を満たしていると判定した場合、反応回路と演算素子との接続状態を変更するように切り替え回路を制御して反応回路と演算素子との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させているので、稀にしか発生しないような事象を修正条件として検出し、この事象の結果生じる新たな反応を処理できるように反応回路と演算素子との接続状態を修正することができ、回路構成を複雑化することなく、稀にしか発生しないような事象にも自動的に対処することができるように装置構成を修正することができる。   In the hardware simulator according to the present invention, the values of a plurality of computing elements that calculate values related to the simulation object are changed by the reaction circuit in accordance with the reaction between the simulation objects, thereby simulating the reaction between the simulation objects. The amount of change of the object is simulated. At this time, it is determined whether or not a predetermined correction condition is satisfied based on the value of the arithmetic element, and when it is determined that the correction condition is satisfied, the connection state between the reaction circuit and the arithmetic element is changed. After the connection state between the reaction circuit and the computing element is corrected by controlling the circuit, the operation of the apparatus is resumed. Therefore, an event that occurs rarely is detected as a correction condition, and a new event that occurs as a result of this event is detected. It is possible to correct the connection state between the reaction circuit and the computing element so that a simple reaction can be processed, and it is possible to automatically deal with an event that rarely occurs without complicating the circuit configuration. Thus, the device configuration can be modified.

前記演算素子は、第1のシミュレーション対象物に対して割り当てられ且つ前記第1のシミュレーション対象物と反応する複数の第2のシミュレーション対象物をグループ分けしたグループごとに設けられ、前記第1のシミュレーション対象物に関する値をカウントする複数のカウント回路を含み、前記反応回路は、反応の進行状態に応じて、反応前の各シミュレーション対象物の量を表すカウント回路のカウント値を減少させるとともに、反応後の各シミュレーション対象物の量を表すカウント回路のカウント値を増加させることが好ましい。   The computing element is provided for each group obtained by grouping a plurality of second simulation objects assigned to the first simulation object and reacting with the first simulation object. A plurality of counting circuits for counting values related to the object, wherein the reaction circuit reduces the count value of the counting circuit representing the amount of each simulation object before the reaction according to the progress of the reaction, and after the reaction It is preferable to increase the count value of the count circuit representing the amount of each simulation object.

この場合、第1のシミュレーション対象物と反応する第2のシミュレーション対象物が多数ある場合でも、第2のシミュレーション対象物がグループ分けされ、このグループごとに第1のシミュレーション対象物のカウント回路が個別に設けられているので、第1のシミュレーション対象物のカウント回路に接続されるべき第2のシミュレーション対象物のカウント回路の数を低減することができ、カウント回路及び反応回路間の配線を容易にすることができる。   In this case, even when there are many second simulation objects that react with the first simulation object, the second simulation objects are grouped, and the count circuit of the first simulation object is individually provided for each group. Therefore, it is possible to reduce the number of count circuits of the second simulation object to be connected to the count circuit of the first simulation object, and to easily wire between the count circuit and the reaction circuit. can do.

前記修正手段は、前記修正条件として前記複数のカウント回路のうち一のカウント回路のカウント値が所定の下限値に達したか否かを判定し、前記一のカウント回路のカウント値が下限値に達したと判定した場合、装置の動作を停止させ、前記一のカウント回路を増加させる反応回路と前記一のカウント回路との接続数が他のカウント回路を増加させる反応回路と前記他のカウント回路との接続数より増加するように前記切り替え回路を制御して前記反応回路と前記カウント回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる修正回路を含むことが好ましい。   The correction means determines whether the count value of one count circuit among the plurality of count circuits has reached a predetermined lower limit value as the correction condition, and the count value of the one count circuit is set to a lower limit value If it is determined that the number of connections has been reached, the operation of the apparatus is stopped, and the reaction circuit that increases the one count circuit and the number of connections between the one count circuit and the other count circuit are increased. It is preferable to include a correction circuit that restarts the operation of the apparatus after the connection state between the reaction circuit and the count circuit is corrected by controlling the switching circuit so that the number of connections increases.

この場合、修正回路により、複数のカウント回路のうち一のカウント回路のカウント値が所定の下限値に達して他のカウント回路のカウント値より小さくなった場合、装置の動作を停止させ、一のカウント回路を増加させる反応回路と一のカウント回路との接続数が他のカウント回路を増加させる反応回路と他のカウント回路との接続数より増加するように切り替え回路を制御して反応回路とカウント回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させているので、カウント値が小さくなったカウント回路のカウント値が他のカウント回路より増加するように反応回路とカウント回路との接続状態を自動的に修正することができる。   In this case, when the correction circuit causes the count value of one of the plurality of count circuits to reach a predetermined lower limit value and becomes smaller than the count value of the other count circuit, the operation of the device is stopped, The switching circuit is controlled so that the number of connections between the reaction circuit that increases the count circuit and one count circuit is greater than the number of connections between the reaction circuit that increases the other count circuit and the other count circuit, and the reaction circuit counts. Since the operation of the device is resumed after correcting the connection state with the circuit, the connection state between the reaction circuit and the count circuit so that the count value of the count circuit whose count value has decreased is higher than that of other count circuits Can be corrected automatically.

前記修正手段は、前記修正条件として前記複数のカウント回路のうち一のカウント回路のカウント値が所定の上限値に達したか否かを判定し、前記一のカウント回路のカウント値が上限値に達したと判定した場合、装置の動作を停止させ、前記一のカウント回路を減少させる反応回路と前記一のカウント回路との接続数が他のカウント回路を減少させる反応回路と前記他のカウント回路との接続数より増加するように前記切り替え回路を制御して前記反応回路と前記カウント回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる修正回路を含むことが好ましい。   The correction means determines whether the count value of one count circuit among the plurality of count circuits has reached a predetermined upper limit value as the correction condition, and sets the count value of the one count circuit to an upper limit value. When it is determined that the number of connections has been reached, the operation of the apparatus is stopped, and the reaction circuit that reduces the one count circuit and the number of connections between the one count circuit and the other count circuit are reduced. It is preferable to include a correction circuit that restarts the operation of the apparatus after the connection state between the reaction circuit and the count circuit is corrected by controlling the switching circuit so that the number of connections increases.

この場合、修正回路により、複数のカウント回路のうち一のカウント回路のカウント値が上限値に達して他のカウント回路のカウント値より大きくなった場合、装置の動作を停止させ、一のカウント回路を減少させる反応回路と一のカウント回路との接続数が他のカウント回路を減少させる反応回路と他のカウント回路との接続数より増加するように切り替え回路を制御して反応回路とカウント回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させているので、カウント値が大きくなったカウント回路のカウント値が他のカウント回路より減少するように反応回路とカウント回路との接続状態を自動的に修正することができる。   In this case, the correction circuit stops the operation of the device when the count value of one count circuit among the plurality of count circuits reaches the upper limit value and becomes larger than the count value of the other count circuit. The switching circuit is controlled so that the number of connections between the reaction circuit that reduces the number of the reaction circuit and one count circuit is larger than the number of connections between the reaction circuit that reduces the other count circuit and the other count circuit, Since the operation of the device is resumed after correcting the connection state of the counter, the connection state between the reaction circuit and the count circuit is automatically adjusted so that the count value of the count circuit whose count value has increased is smaller than that of other count circuits. Can be corrected.

前記修正手段は、ホストコンピュータから構成されてもよい。この場合、汎用のホストコンピュータを用いて上記の修正処理を行うことができる。   The correcting means may be composed of a host computer. In this case, the above correction process can be performed using a general-purpose host computer.

本発明によれば、演算素子の値を基に所定の修正条件を満たしているか否かを判定し、修正条件を満たしていると判定した場合、反応回路と演算素子との接続状態を変更するように切り替え回路を制御して反応回路と演算素子との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させているので、稀にしか発生しないような事象を修正条件として検出し、この事象の結果生じる新たな反応を処理できるように反応回路と演算素子との接続状態を修正することができ、回路構成を複雑化することなく、稀にしか発生しないような事象にも自動的に対処することができるように装置構成を修正することができる。   According to the present invention, it is determined whether or not a predetermined correction condition is satisfied based on the value of the arithmetic element, and when it is determined that the correction condition is satisfied, the connection state between the reaction circuit and the arithmetic element is changed. After controlling the switching circuit to correct the connection state between the reaction circuit and the computing element, the operation of the apparatus is resumed, so that an event that rarely occurs is detected as a correction condition. The connection state between the reaction circuit and the computing element can be modified so that a new reaction that occurs as a result can be processed, and an event that rarely occurs is automatically handled without complicating the circuit configuration. The device configuration can be modified so that it is possible.

以下、本発明によるハードウエアシミュレータの一例として、生化学反応をシミュレーションし、シグナル伝達ネットワーク、遺伝子ネットワーク等の解明に好適に用いられる化学反応シミュレーション装置について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, as an example of a hardware simulator according to the present invention, a chemical reaction simulation apparatus that simulates a biochemical reaction and is suitably used for elucidating a signal transmission network, a gene network, and the like will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施の形態によるハードウエアシミュレータの構成を示すブロック図である。図1に示すハードウエアシミュレータは、複数の乱数発生器R1〜Rn(nは任意の正数)、複数の酵素カウンタK1〜Kn、複数の絞り回路V1〜Vn、複数の反応実行回路H1〜Hn、複数の物質カウンタB1〜Bm(mは任意の正数)、接続切り換え回路SW及び接続変更制御部CCを備える。   FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a hardware simulator according to an embodiment of the present invention. The hardware simulator shown in FIG. 1 includes a plurality of random number generators R1 to Rn (n is an arbitrary positive number), a plurality of enzyme counters K1 to Kn, a plurality of throttle circuits V1 to Vn, and a plurality of reaction execution circuits H1 to Hn. A plurality of substance counters B1 to Bm (m is an arbitrary positive number), a connection switching circuit SW, and a connection change control unit CC.

酵素カウンタK1〜Kn、絞り回路V1〜Vn及び反応実行回路H1〜Hnは、シミュレーションに使用される生化学反応ごとに設けられ、例えば、物質カウンタB1〜B3は、シミュレーションに使用される一の物質に対して設けられ、物質カウンタB4〜Bmは、シミュレーションに使用される他の物質ごとに設けられる。このとき、一の物質と反応する複数の物質がグループ分けされ、物質カウンタB1〜B3は、このグループごとに設けられる。なお、物質カウンタB1〜Bmに対する各物質の割り当て方法は、上記の例に特に限定されず、一の物質を分割して2個以下又は4個以上の物質カウンタに割り当てたり、複数の物質の各々を分割して複数の物質カウンタに割り当てる等の種々の変更が可能である。   The enzyme counters K1 to Kn, the throttle circuits V1 to Vn, and the reaction execution circuits H1 to Hn are provided for each biochemical reaction used for the simulation. For example, the substance counters B1 to B3 are one substance used for the simulation. The material counters B4 to Bm are provided for each of the other materials used for the simulation. At this time, a plurality of substances that react with one substance are grouped, and substance counters B1 to B3 are provided for each group. The method of assigning each substance to the substance counters B1 to Bm is not particularly limited to the above example, and one substance is divided and assigned to two or less substance counters or four or more substance counters. Various changes, such as dividing and assigning to a plurality of substance counters, are possible.

乱数発生器R1は、絞り回路V1の入力側に接続され、反応実行回路H1は、絞り回路V1の出力側に接続され、酵素カウンタK1は、絞り回路V1に接続される。他の乱数発生器、酵素カウンタ、絞り回路及び反応実行回路も上記と同様に接続される。   The random number generator R1 is connected to the input side of the aperture circuit V1, the reaction execution circuit H1 is connected to the output side of the aperture circuit V1, and the enzyme counter K1 is connected to the aperture circuit V1. Other random number generators, enzyme counters, throttle circuits, and reaction execution circuits are also connected in the same manner as described above.

接続切り換え回路SWは、例えば、空間スイッチ等から構成され、複数の増加指令用の入力配線I1〜In及び減少指令用の入力配線D1〜Dnと、複数の増加指令用の出力配線i1〜im及び減少指令用の出力配線d1〜dmを含み、各配線がマトリックス状に配置されている。   The connection switching circuit SW is composed of, for example, a space switch or the like, and includes a plurality of increase command input wires I1 to In and a decrease command input wires D1 to Dn, and a plurality of increase command output wires i1 to im. The output wirings d1 to dm for reduction command are included, and each wiring is arranged in a matrix.

反応実行回路H1は、接続切り換え回路SWの増加指令用の入力配線I1及び減少指令用の入力配線D1に接続され、他の反応実行回路も同様に接続される。物質カウンタB1は、接続切り換え回路SWの増加指令用の出力配線i1及び減少指令用の出力配線d1に接続され、他の物質カウンタも同様に接続される。また、接続切り換え回路SWにおいて図中に黒丸で示す各配線の交点NDには、時分割ゲート及び時分割ゲートのオン/オフを制御する保持メモリ等から構成されるスイッチ(図示省略)が配置されている。   The reaction execution circuit H1 is connected to the input wiring I1 for increase command and the input wiring D1 for decrease command of the connection switching circuit SW, and other reaction execution circuits are similarly connected. The substance counter B1 is connected to the output wiring i1 for increase command and the output wiring d1 for decrease command of the connection switching circuit SW, and other substance counters are similarly connected. In the connection switching circuit SW, a switch (not shown) including a time-division gate and a holding memory for controlling on / off of the time-division gate is arranged at the intersection ND of each wiring indicated by a black circle in the drawing. ing.

接続切り換え回路SWは、各スイッチをオン/オフすることにより、増加指令用の入力配線I1〜Inと増加指令用の出力配線i1〜imとの接続状態及び減少指令用の入力配線D1〜Dnと減少指令用の出力配線d1〜dmとの接続状態を制御し、各反応実行回路H1〜Hnが表す生化学反応の反応前の物質を表す物質カウンタ及び反応後の物質を表す物質カウンタと対応する反応実行回路とを接続する。なお、接続切り換え回路SWは、上記の空間スイッチに特に限定されず、反応実行回路と物質カウンタとの接続状態を切り換えることができるものであれば、他の接続切り換え回路を用いてもよい。   The connection switching circuit SW turns on / off each switch to connect the increase command input wires I1 to In to the increase command output wires i1 to im and decrease command input wires D1 to Dn. Controls the connection state with the output wirings d1 to dm for the decrease command, and corresponds to the substance counter representing the substance before the reaction of the biochemical reaction represented by each reaction execution circuit H1 to Hn and the substance counter representing the substance after the reaction. Connect the reaction execution circuit. The connection switching circuit SW is not particularly limited to the above space switch, and other connection switching circuits may be used as long as the connection state between the reaction execution circuit and the substance counter can be switched.

物質カウンタB1〜Bmは、バイナリカウンタ等から構成され、例えば、物質カウンタB1〜B3は、反応前又は反応後の一の物質の数、すなわち分子数又は原子数のうち所定数をそれぞれを初期カウント値として設定され、物質カウンタB4〜Bmは、反応前又は反応後の他の物質の数、すなわち分子数又は原子数を初期カウント値としてそれぞれ設定される。物質カウンタB1〜Bmは、反応実行回路H1〜Hnの減少指令及び増加指令に応じて、そのカウント値を減少及び増加させる。また、物質カウンタB1〜Bmは、自身のカウント値を接続変更制御部CCへ出力する。   The substance counters B1 to Bm are composed of binary counters and the like. For example, the substance counters B1 to B3 initially count the number of one substance before the reaction or after the reaction, that is, a predetermined number of molecules or atoms, respectively. The substance counters B4 to Bm are set with the number of other substances before or after the reaction, that is, the number of molecules or the number of atoms as the initial count value. The substance counters B1 to Bm decrease and increase the count values according to the decrease command and the increase command of the reaction execution circuits H1 to Hn. Further, the substance counters B1 to Bm output their count values to the connection change control unit CC.

なお、物質カウンタは、上記のバイナリカウンタに特に限定されず、シミュレーション対象物に対して設けられ、当該シミュレーション対象物に関する値を演算する演算素子であれば、他のカウンタ等を用いてもよい。例えば、代謝経路におけるクエン酸回路のような生化学反応を状態遷移と捉え、状態遷移機械(有限状態オートマトン)を組み合わせて使用する場合、物質カウンタとしてジョンソンカウンタを用いることにより、コンパクトな回路により高速にシミュレーションすることができる。   Note that the substance counter is not particularly limited to the binary counter described above, and any other counter or the like may be used as long as it is an arithmetic element that is provided for the simulation target and calculates a value related to the simulation target. For example, when a biochemical reaction such as a citric acid circuit in a metabolic pathway is regarded as a state transition and used in combination with a state transition machine (finite state automaton), a Johnson counter is used as a substance counter, thereby enabling a faster and more compact circuit. Can be simulated.

乱数発生器R1は、生化学反応の反応速度を制御するための所定の乱数を、絞り回路V1を介して反応実行回路H1に出力する。乱数発生器としては、擬似乱数を発生させる擬似乱数発生回路、カオス的な乱数を発生させるカオス発生回路、熱雑音に基づく乱数を発生させる熱雑音発生回路等を用いることができる。   The random number generator R1 outputs a predetermined random number for controlling the reaction rate of the biochemical reaction to the reaction execution circuit H1 via the throttle circuit V1. As the random number generator, a pseudo random number generation circuit that generates pseudo random numbers, a chaos generation circuit that generates chaotic random numbers, a thermal noise generation circuit that generates random numbers based on thermal noise, and the like can be used.

例えば、擬似乱数発生回路としては、線形フィードバックシフトレジスタを用いることによって、線形フィードバックシフトレジスタがL個のレジスタから構成されると、2L−1の長周期を有するが、ほぼランダムな乱数を発生させることができる。カオス発生回路としては、コンデンサと可変抵抗回路とで構成される閉ループにより不規則な信号を発生させる回路等を用いることによって、カオス的な振る舞いを行う不規則な乱数を発生させることができる。熱雑音発生回路としては、短周期のパルスを長周期のパルスによりラッチし、ラッチされた短周期のパルスのレベルを乱数として出力する回路等を用いることによって、ホワイトノイズによる周期性のない乱数を発生させることができる。 For example, as a pseudo-random number generation circuit, a linear feedback shift register is used, and when the linear feedback shift register is composed of L registers, a random number having a long period of 2 L -1 is generated. Can be made. As the chaos generation circuit, an irregular random number that performs chaotic behavior can be generated by using a circuit that generates an irregular signal by a closed loop including a capacitor and a variable resistance circuit. As a thermal noise generation circuit, by using a circuit that latches short cycle pulses with long cycle pulses and outputs the level of the latched short cycle pulses as random numbers, random numbers without periodicity due to white noise can be generated. Can be generated.

酵素カウンタK1は、反応実行回路H1が表す生化学反応に使用される酵素物質の数、すなわち酵素物質の分子数をそのカウント値として設定され、設定されたカウント値に応じて絞り回路V1の絞り量が調整される。なお、一般の化学反応の場合は、酵素カウンタが触媒カウンタに変更され、生細胞内で作られる蛋白性の生体触媒である酵素の代わりに、触媒物質の数がそのカウント値として設定される。また、触媒(酵素)を使用しない化学反応の場合、触媒(酵素)カウンタ及び絞り回路は不要となる。   The enzyme counter K1 is set with the number of enzyme substances used in the biochemical reaction represented by the reaction execution circuit H1, that is, the number of molecules of the enzyme substance as its count value, and the aperture of the aperture circuit V1 according to the set count value. The amount is adjusted. In the case of a general chemical reaction, the enzyme counter is changed to a catalyst counter, and the number of catalytic substances is set as the count value instead of an enzyme that is a protein biocatalyst produced in living cells. In the case of a chemical reaction that does not use a catalyst (enzyme), a catalyst (enzyme) counter and a throttle circuit are not required.

具体的には、乱数発生器R1が乱数として“1”又は“0”のデータをランダムに発生し、酵素カウンタK1がそのカウント値に応じて“0”に対する“1”の頻度を調整して“1”又は“0”のデータを出力する。このとき、絞り回路V1は両データの論理積を取り、その結果を反応実行回路H1へ出力する。したがって、酵素カウンタK1のカウント値に応じて反応実行回路H1へ入力される“1”の頻度が調整される。   Specifically, the random number generator R1 randomly generates “1” or “0” data as a random number, and the enzyme counter K1 adjusts the frequency of “1” with respect to “0” according to the count value. Data of “1” or “0” is output. At this time, the aperture circuit V1 takes the logical product of both data and outputs the result to the reaction execution circuit H1. Therefore, the frequency of “1” input to the reaction execution circuit H1 is adjusted according to the count value of the enzyme counter K1.

反応実行回路H1は、データとして“1”が入力された場合、反応を実行させるため、増加指令用の入力配線I1にカウント値を1だけ増加させるための増加指令を出力するとともに、減少指令用の入力配線D1にカウント値を1だけ減少させるための減少指令を出力する。一方、反応実行回路H1は、データとして“0”が入力された場合、反応を行わないようにするため(不実行の状態)、増加指令及び減少指令を出力しない。   When “1” is input as data, the reaction execution circuit H1 outputs an increase command for increasing the count value by 1 to the increase command input wiring I1 and executes a decrease command. A decrease command for decreasing the count value by 1 is output to the input wiring D1. On the other hand, when “0” is input as data, the reaction execution circuit H1 does not output an increase command and a decrease command so as not to perform a reaction (non-execution state).

このとき、接続切り換え回路SWは、減少指令用の入力配線D1と、反応実行回路H1が表す生化学反応における反応前の物質の数、すなわち分子数又は原子数を表す物質カウンタに接続されている減少指令用の出力配線とを接続している。したがって、反応実行回路H1から出力される減少指令が反応前の物質に対して設けられた物質カウンタへ入力され、当該物質カウンタが自身のカウント値を1だけ減少させる。また、接続切り換え回路SWは、増加指令用の入力配線I1と、反応実行回路H1が表す生化学反応における反応後の物質の数、すなわち分子数又は原子数を表す物質カウンタに接続されている増加指令用の出力配線とを接続している。したがって、反応実行回路H1から出力される増加指令が反応後の物質に対して設けられた物質カウンタへ入力され、当該物質カウンタが自身のカウント値を1だけ増加させる。   At this time, the connection switching circuit SW is connected to the input wiring D1 for decrease command and the substance counter representing the number of substances before reaction in the biochemical reaction represented by the reaction execution circuit H1, that is, the number of molecules or the number of atoms. The output wiring for the reduction command is connected. Therefore, the decrease command output from the reaction execution circuit H1 is input to the substance counter provided for the substance before the reaction, and the substance counter decreases its count value by one. The connection switching circuit SW is connected to an increase command input wiring I1 and a substance counter representing the number of substances after reaction in the biochemical reaction represented by the reaction execution circuit H1, that is, the number of molecules or the number of atoms. The output wiring for command is connected. Therefore, the increase command output from the reaction execution circuit H1 is input to the substance counter provided for the substance after the reaction, and the substance counter increases its count value by one.

他の乱数発生器、酵素カウンタ、絞り回路及び反応実行回路も、上記と同様に構成され、生化学反応に応じて上記と同様に動作する。なお、酵素カウンタに割り当てられる酵素の数が生化学反応等により増減する場合は、酵素カウンタも物質カウンタと同様に構成されて接続切り換え回路に接続され、対応する反応実行回路によりそのカウント値が増減される。   Other random number generators, enzyme counters, throttling circuits, and reaction execution circuits are also configured in the same manner as described above, and operate in the same manner as described above according to biochemical reactions. When the number of enzymes assigned to the enzyme counter increases or decreases due to a biochemical reaction or the like, the enzyme counter is also configured in the same way as the substance counter and is connected to the connection switching circuit, and the count value is increased or decreased by the corresponding reaction execution circuit. Is done.

接続変更制御部CCは、所定の論理回路等から構成され、接続切り換え回路SWの各スイッチのオン/オフを制御することにより、増加指令用の入力配線I1〜Inと増加指令用の出力配線i1〜imとの接続状態及び減少指令用の入力配線D1〜Dnと減少指令用の出力配線d1〜dmとの接続状態を変更する。接続変更制御部CCは、物質カウンタB1〜Bmのカウント値を基に所定の修正条件を満たしているか否かを判定し、修正条件を満たしていると判定した場合、装置の動作を停止させて反応実行回路H1〜Hnと物質カウンタB1〜Bmとの接続状態を変更するように接続切り換え回路SWを制御して反応実行回路H1〜Hnと物質カウンタB1〜Bmとの接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる。   The connection change control unit CC is composed of a predetermined logic circuit and the like, and by controlling the on / off of each switch of the connection switching circuit SW, the increase command input wirings I1 to In and the increase command output wiring i1. To im, and the connection state between the input wirings D1 to Dn for reduction command and the output wirings d1 to dm for reduction command are changed. The connection change control unit CC determines whether or not a predetermined correction condition is satisfied based on the count values of the substance counters B1 to Bm, and when determining that the correction condition is satisfied, stops the operation of the apparatus. After controlling the connection switching circuit SW so as to change the connection state between the reaction execution circuits H1 to Hn and the substance counters B1 to Bm and correcting the connection state between the reaction execution circuits H1 to Hn and the substance counters B1 to Bm, Resume device operation.

例えば、接続変更制御部CCは、一の物質に対して割り当てられている物質カウンタB1〜B3のカウント値を取得し、修正条件として物質カウンタB1〜B3のうち一の物質カウンタのカウント値が下限値に達したか否かを判定する。一の物質カウンタのカウント値が下限値に達したと判定した場合、接続変更制御部CCは、装置の動作を停止させるための停止信号SSを各部へ出力して装置の動作を停止させた後、一の物質カウンタのカウント値を増加させる反応実行回路と当該一の物質カウンタとの接続数が他の物質カウンタを増加させる反応実行回路と当該他の物質カウンタとの接続数より増加するように接続切り換え回路SWの接続状態を切り替え、その後、装置の動作を再開させるための再開信号RSを各部へ出力して装置の動作を再開させてシミュレーション動作を継続させる。   For example, the connection change control unit CC acquires the count values of the substance counters B1 to B3 assigned to one substance, and the count value of one substance counter among the substance counters B1 to B3 is a lower limit as a correction condition. Determine if the value has been reached. When it is determined that the count value of one substance counter has reached the lower limit value, the connection change control unit CC outputs a stop signal SS for stopping the operation of the device to each unit to stop the operation of the device. The number of connections between the reaction execution circuit that increases the count value of one substance counter and the one substance counter is larger than the number of connections between the reaction execution circuit that increases the other substance counter and the other substance counter. The connection state of the connection switching circuit SW is switched, and then a restart signal RS for restarting the operation of the apparatus is output to each unit to restart the operation of the apparatus and continue the simulation operation.

また、接続変更制御部CCは、修正条件として物質カウンタB1〜B3のうち一の物質カウンタのカウント値が上限値に達したか否かを判定する。一の物質カウンタのカウント値が上限値に達したと判定した場合、接続変更制御部CCは、装置の動作を停止させるための停止信号SSを各部へ出力して装置の動作を停止させた後、一の物質カウンタのカウント値を減少させる反応実行回路と当該一の物質カウンタとの接続数が他の物質カウンタを減少させる反応実行回路と当該他の物質カウンタとの接続数より増加するように接続切り換え回路SWの接続状態を切り替え、その後、装置の動作を再開させるための再開信号RSを各部へ出力して装置の動作を再開させてシミュレーション動作を継続させる。   Further, the connection change control unit CC determines whether or not the count value of one substance counter among the substance counters B1 to B3 has reached the upper limit value as the correction condition. When it is determined that the count value of one substance counter has reached the upper limit value, the connection change control unit CC outputs a stop signal SS for stopping the operation of the device to each unit and stops the operation of the device. The number of connections between the reaction execution circuit that decreases the count value of one substance counter and the one substance counter is greater than the number of connections between the reaction execution circuit that decreases the other substance counter and the other substance counter. The connection state of the connection switching circuit SW is switched, and then a restart signal RS for restarting the operation of the apparatus is output to each unit to restart the operation of the apparatus and continue the simulation operation.

例えば、物質カウンタB1〜B3が6ビットカウントから構成され、そのカウント範囲が0〜63の場合、5が下限値となり、58が上限値となり、物質カウンタB1〜B3のカウント値が下限値又は上限値に達することが修正条件となる。なお、物質カウンタのビット数等は、上記の例に特に限定されず、種々の変更が可能である。また、修正条件も上記の例に特に限定されず、稀にしか発生しない種々の事象等の予め決定された条件であれば種々の条件を修正条件として用いることができる。さらに、接続変更制御部CCが管理する物質カウンタも、上記の例に特に限定されず、他の物質カウンタのカウント値を管理して他の物質カウンタと反応実行回路との接続状態を変更してもよい。例えば、一の物質に割り当てられた一の物質カウンタのカウント値が上限値に達したときに、当該物質カウンタを2以上に分割して反応実行回路との接続状態を変更する等の種々の変更が可能である。   For example, when the substance counters B1 to B3 are composed of 6-bit counts and the count range is 0 to 63, 5 is the lower limit value, 58 is the upper limit value, and the count values of the substance counters B1 to B3 are the lower limit value or the upper limit value. Reaching the value is the correction condition. The number of bits of the substance counter is not particularly limited to the above example, and various changes can be made. Also, the correction condition is not particularly limited to the above example, and various conditions can be used as the correction condition as long as the conditions are predetermined such as various events that rarely occur. Further, the substance counter managed by the connection change control unit CC is not particularly limited to the above example, and the connection value between the other substance counter and the reaction execution circuit is changed by managing the count value of the other substance counter. Also good. For example, when the count value of one substance counter assigned to one substance reaches the upper limit value, various changes such as changing the connection state with the reaction execution circuit by dividing the substance counter into two or more Is possible.

本実施の形態において、物質カウンタB1〜Bmが演算素子及びカウント回路の一例に相当し、反応実行回路H1〜Hn、乱数発生器R1〜Rn、酵素カウンタK1〜Kn及び絞り回路V1〜Vnが反応回路の一例に相当し、接続切り換え回路SWが切り替え回路の一例に相当し、接続変更制御部CCが修正手段及び修正回路の一例に相当する。   In the present embodiment, the substance counters B1 to Bm correspond to examples of arithmetic elements and count circuits, and the reaction execution circuits H1 to Hn, the random number generators R1 to Rn, the enzyme counters K1 to Kn, and the throttling circuits V1 to Vn react. The connection switching circuit SW corresponds to an example of a switching circuit, and the connection change control unit CC corresponds to an example of a correction unit and a correction circuit.

次に、上記のように構成されたハードウエアシミュレータの動作について説明する。まず、シミュレーションの対象となる物質、生化学反応及び酵素等に関する必要なデータを用いて、物質カウンタB1〜B3にこれらの初期値の合計が一の物質の数を表すように分配して設定され、物質カウンタB4〜Bmに各物質の数を表すカウンタの初期値が設定されるとともに、酵素カウンタK1〜Knに各酵素の数を表すカウンタの初期値が設定される。次に、乱数発生器R1〜Rnは上記の乱数を発生させ、絞り回路V1〜Vnは、酵素カウンタK1〜Knの酵素の数に応じて乱数を補正する。反応実行回路H1〜Hnは、酵素数により補正された乱数の値に応じて反応が実行されるように、反応前の物質の分子数又は原子数を表す物質カウンタB1〜Bmのカウント値を1だけ減少させるとともに、反応後の物質の分子数又は原子数を表す物質カウンタB1〜Bmのカウント値を1だけ増加させる。   Next, the operation of the hardware simulator configured as described above will be described. First, using necessary data on the substance to be simulated, biochemical reaction, enzyme, etc., the substance counters B1 to B3 are distributed and set so that the sum of these initial values represents the number of one substance. The initial value of the counter indicating the number of each substance is set in the substance counters B4 to Bm, and the initial value of the counter indicating the number of each enzyme is set in the enzyme counters K1 to Kn. Next, the random number generators R1 to Rn generate the above random numbers, and the diaphragm circuits V1 to Vn correct the random numbers according to the number of enzymes in the enzyme counters K1 to Kn. The reaction execution circuits H1 to Hn set the count values of the substance counters B1 to Bm representing the number of molecules or atoms of the substance before the reaction to 1 so that the reaction is executed according to the random number value corrected by the number of enzymes. And the count value of the substance counters B1 to Bm indicating the number of molecules or atoms of the substance after the reaction is increased by one.

このようにして、各反応実行回路H1〜Hnが表す生化学反応の反応速度が反応実行回路H1〜Hnごとに調整され、各反応実行回路H1〜Hnが表す生化学反応の反応前後の物質に対応する物質カウンタB1〜Bmが対応する反応実行回路H1〜Hnに接続されるとともに、各反応実行回路H1〜Hnが表す生化学反応に応じて反応前後の物質に対応する物質カウンタB1〜Bmのカウント値が減少又は増加され、複数の生化学反応が並列的にシミュレーションされる。   In this way, the reaction rate of the biochemical reaction represented by each reaction execution circuit H1 to Hn is adjusted for each reaction execution circuit H1 to Hn, and the substances before and after the reaction of the biochemical reaction represented by each reaction execution circuit H1 to Hn are adjusted. The corresponding substance counters B1 to Bm are connected to the corresponding reaction execution circuits H1 to Hn, and the substance counters B1 to Bm corresponding to the substances before and after the reaction according to the biochemical reaction represented by each reaction execution circuit H1 to Hn. The count value is decreased or increased and multiple biochemical reactions are simulated in parallel.

このように、反応前後の各物質の量をカウント値、すなわち数(整数)として捉え、生化学反応による物質の変化量をシミュレーションしているので、物質カウンタB1〜Bmの数を増加するだけでシミュレーションに使用する物質の種類を増加させることができる。また、未知の生化学反応が新たにわかった場合、病体等によりある生化学反応が欠損している場合及び野生種のために生化学反応が通常と異なる場合でも、新たな生化学反応、欠損した生化学反応及び通常と異なる生化学反応に応じて接続切り換え回路SWにより反応実行回路H1〜Hnと物質カウンタB1〜Bmとの接続状態を変更等することにより容易に対処することができる。   In this way, since the amount of each substance before and after the reaction is regarded as a count value, that is, a number (integer), and the amount of change of the substance due to the biochemical reaction is simulated, only the number of substance counters B1 to Bm is increased. The types of substances used for simulation can be increased. In addition, even when an unknown biochemical reaction is newly found, a new biochemical reaction or deficiency is detected even if a biochemical reaction is deficient due to a disease etc. This can be easily dealt with by changing the connection state between the reaction execution circuits H1 to Hn and the substance counters B1 to Bm by the connection switching circuit SW according to the biochemical reaction performed and the biochemical reaction different from normal.

ここで、物質カウンタB1〜B3は、一の物質に対して設けられるとともに、当該一の物質と反応する複数の物質がグループ分けされ、このグループごとに設けられている。図2は、物質カウンタのカウント値に応じた接続状態の修正方法を説明するための模式図である。なお、図中の矢印の方向は反応方向を示しており、反応に応じて矢印の始点側の物質カウンタの値が減少し、矢印の終点側の物質カウンタの値が増加する。   Here, the substance counters B1 to B3 are provided for one substance, and a plurality of substances that react with the one substance are grouped and provided for each group. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a method of correcting the connection state according to the count value of the substance counter. The direction of the arrow in the figure indicates the reaction direction, and the value of the substance counter on the start point side of the arrow decreases according to the reaction, and the value of the substance counter on the end point side of the arrow increases.

例えば、ある一の物質b0が、7個の物質x1〜x7、3個の物質y1〜y3及び5個の物質z1〜z5の15個の物質と反応する場合、図2の(a)に示すように、15個の物質x1〜x7,y1〜y3,z1〜z5を7個の物質x1〜x7のグループ、3個の物質y1〜y3のグループ及び5個の物質z1〜z5のグループの3グループにグループ分けし、各グループに対して物質b0の物質カウンタB1〜B3が設けられる。物質カウンタB1は、7個の物質カウンタX1〜X7(図1に示す物質カウンタB4〜Bmのうち7個の物質カウンタ)と接続され、物質カウンタB2は、3個の物質カウンタY1〜Y3(図1に示す物質カウンタB4〜Bmのうち3個の物質カウンタ)と接続され、物質カウンタB3は、5個の物質カウンタZ1〜Z5(図1に示す物質カウンタB4〜Bmのうち5個の物質カウンタ)と接続される。   For example, when a certain substance b0 reacts with 15 substances of seven substances x1 to x7, three substances y1 to y3, and five substances z1 to z5, it is shown in FIG. Thus, 15 substances x1 to x7, y1 to y3, z1 to z5 are divided into three groups of seven substances x1 to x7, three substances y1 to y3, and five substances z1 to z5. The material is divided into groups, and material counters B1 to B3 for the material b0 are provided for each group. The substance counter B1 is connected to seven substance counters X1 to X7 (seven substance counters among the substance counters B4 to Bm shown in FIG. 1), and the substance counter B2 is connected to three substance counters Y1 to Y3 (FIG. 1 is connected to three substance counters B4 to Bm shown in FIG. 1, and the substance counter B3 is five substance counters Z1 to Z5 (five substance counters among the substance counters B4 to Bm shown in FIG. 1). ).

上記のシミュレーション中に、物質カウンタB3のカウント値が下限値である“5”に達し、物質カウンタB1,B2のカウント値が44,49に達している場合、接続変更制御部CCは、物質カウンタB3のカウント値が下限値に達したと判定し、装置の動作を停止させるための停止信号SSを各部へ出力した後、物質カウンタB3へ入力する矢印が増加するとともに、カウント値の大きい物質カウンタB2から出力される矢印が増加するように接続切り換え回路SWの接続状態を切り替える。この結果、図2の(b)に示すように、物質カウンタY3からの矢印が物質カウンタB3に入力され、物質カウンタB2からの矢印が物質カウンタZ2に入力されるように接続切り換え回路SWの接続状態が切り替えられ、その後、接続変更制御部CCは、装置の動作を再開させるための再開信号RSを各部へ出力して装置の動作を再開させてシミュレーション動作を継続させる。   During the above simulation, when the count value of the substance counter B3 reaches the lower limit “5” and the count values of the substance counters B1 and B2 reach 44 and 49, the connection change control unit CC After determining that the count value of B3 has reached the lower limit and outputting a stop signal SS for stopping the operation of the apparatus to each part, the number of arrows input to the material counter B3 increases, and the material counter with a large count value The connection state of the connection switching circuit SW is switched so that the arrow output from B2 increases. As a result, as shown in FIG. 2B, the connection switching circuit SW is connected so that the arrow from the substance counter Y3 is input to the substance counter B3 and the arrow from the substance counter B2 is input to the substance counter Z2. After the state is switched, the connection change control unit CC outputs a restart signal RS for restarting the operation of the device to each unit to restart the operation of the device and continue the simulation operation.

なお、上記の接続変更制御部CCによる接続状態の修正処理は、ホストコンピュータが所定の修正プログラムを実行することによっても実現することができ、この場合、汎用のホストコンピュータを用いて上記の修正処理を自動的に行うことができる。   The connection state correction process by the connection change control unit CC can also be realized by the host computer executing a predetermined correction program. In this case, the above correction process is performed using a general-purpose host computer. Can be done automatically.

上記のように、本実施の形態では、修正条件として物質カウンタB1〜B3のうち一の物質カウンタのカウント値が下限値又は上限値に達したか否かが判定され、一の物質カウンタのカウント値が下限値又は上限値に達したと判定した場合、装置の動作が停止された後、下限値又は上限値に達した物質カウンタのカウント値が中間値に戻るように物質カウンタと反応実行回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させているので、回路構成を複雑化することなく、一の物質に対する全体的な反応ネットワークを維持しながら、当該物質に割り当てられている物質カウンタのカウント値が適正な範囲になるように装置構成を自動的に修正することができる。また、一の物質と反応する他の物質が多数ある場合でも、他の物質がグループ分けされ、このグループごとに一の物質の物質カウンタB1〜B3が設けられているので、各物質カウンタB1〜B3に接続されるべき物質カウンタの数を低減することができ、物質カウンタB1〜B3及び反応実行回路間の配線を容易に行うことができる。   As described above, in the present embodiment, it is determined whether the count value of one substance counter among the substance counters B1 to B3 has reached the lower limit value or the upper limit value as the correction condition, and the count of one substance counter is determined. When it is determined that the value has reached the lower limit value or the upper limit value, the substance counter and the reaction execution circuit are set so that the count value of the substance counter that has reached the lower limit value or the upper limit value returns to the intermediate value after the operation of the apparatus is stopped. Since the operation of the device is resumed after correcting the connection state with the substance, the substance assigned to the substance is maintained while maintaining the overall reaction network for one substance without complicating the circuit configuration. The device configuration can be automatically corrected so that the count value of the counter is within an appropriate range. Even when there are many other substances that react with one substance, the other substances are divided into groups, and the substance counters B1 to B3 for one substance are provided for each group. The number of substance counters to be connected to B3 can be reduced, and wiring between the substance counters B1 to B3 and the reaction execution circuit can be easily performed.

次に、細胞内の各物質の濃度勾配を考慮して細胞内の生化学反応をシミュレーションする場合について説明する。図3は、細胞内の各物質の濃度勾配を考慮して細胞内の生化学反応をシミュレーションする方法を説明するための模式図である。   Next, a case where a biochemical reaction in a cell is simulated in consideration of a concentration gradient of each substance in the cell will be described. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a method of simulating a biochemical reaction in a cell in consideration of a concentration gradient of each substance in the cell.

図3に示すように、細胞内の生化学反応をシミュレーションする場合、一つの細胞を複数のセルCEに空間分割し、セルCEごとに物質の量を保持させ、セルラーオートマトンにより各物質の濃度勾配をシミュレーションする。すなわち、対象とするセル内の各物質の濃度(量)と近傍の6個のセル内の物質の濃度(量)とからセル間での各物質の拡散をシミュレーションする。   As shown in FIG. 3, when simulating a biochemical reaction in a cell, one cell is divided into a plurality of cells CE, the amount of the substance is held for each cell CE, and the concentration gradient of each substance is obtained by a cellular automaton. To simulate. That is, the diffusion of each substance between cells is simulated from the concentration (amount) of each substance in the target cell and the concentrations (amounts) of substances in the six neighboring cells.

例えば、隣接する2つのセルC1,C2に、濃度の異なる物質1、物質2及び物質3がそれぞれ含まれている場合、セルC1,C2間では、濃度の高い方から低い方へ各物質が拡散し、このセル間での拡散を以下のようにしてシミュレーションすることができる。   For example, when two adjacent cells C1 and C2 contain substances 1, 2 and 3 having different concentrations, each substance diffuses from the higher concentration to the lower cell C1 and C2. The diffusion between the cells can be simulated as follows.

図4は、図3に示す2つのセルにおける物質の拡散をシミュレーションする場合のハードウエアシミュレータの構成を示すブロック図である。図4に示すハードウエアシミュレータは、セルC1用のハードウエアシミュレータCB1、セルC2用のハードウエアシミュレータCB2及び拡散回路KCを備える。   FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a hardware simulator in the case of simulating the diffusion of substances in the two cells shown in FIG. The hardware simulator shown in FIG. 4 includes a hardware simulator CB1 for the cell C1, a hardware simulator CB2 for the cell C2, and a diffusion circuit KC.

図4に示すハードウエアシミュレータCB1内の物質カウンタB1a〜B1cのカウント値の合計値は、セルC1内の物質1の分子数又は原子数を表し、物質カウンタB2,B3の各カウント値は、セルC1内の物質2,3の分子数又は原子数を表し、ハードウエアシミュレータCB2内の物質カウンタB1a’〜B1c’のカウント値の合計値は、セルC2内の物質1の分子数又は原子数を表し、物質カウンタB2’,B3’の各カウント値は、セルC2内の物質2,3の分子数又は原子数を表し、各物質カウンタB1a〜B3,B1a’〜B3’は、拡散回路KCを介して接続されている。接続変更制御部CCは、物質カウンタB1a〜B1cのカウント値に応じて接続切り換え回路(図示省略)の接続状態を変更し、接続変更制御部CC’は、物質カウンタB1a’〜B1c’のカウント値に応じて接続切り換え回路(図示省略)の接続状態を変更する。   The total value of the count values of the substance counters B1a to B1c in the hardware simulator CB1 shown in FIG. 4 represents the number of molecules or atoms of the substance 1 in the cell C1, and each count value of the substance counters B2 and B3 This represents the number of molecules or atoms of substances 2 and 3 in C1, and the total value of the substance counters B1a 'to B1c' in hardware simulator CB2 represents the number of molecules or atoms of substance 1 in cell C2. Each of the counter values of the substance counters B2 ′ and B3 ′ represents the number of molecules or atoms of the substances 2 and 3 in the cell C2, and each of the substance counters B1a to B3 and B1a ′ to B3 ′ includes the diffusion circuit KC. Connected through. The connection change control unit CC changes the connection state of the connection switching circuit (not shown) according to the count values of the substance counters B1a to B1c, and the connection change control unit CC ′ counts the count values of the substance counters B1a ′ to B1c ′. The connection state of the connection switching circuit (not shown) is changed accordingly.

拡散回路KCは、物質カウンタB1a〜B3,B1a’〜B3’のカウント値、すなわち各物質の分子数又は原子数に応じて各物質が拡散するように、物質カウンタB1a〜B3,B1a’〜B3’のカウント値を制御する。例えば、物質カウンタB1a〜B1cのカウント値の合計値が物質カウンタB1a’〜B1c’のカウント値の合計値より大きい場合、平衡状態になるまで、所定の拡散速度に従い、物質カウンタB1a〜B1cのカウント値を順次減少させるとともに、これに対応させて物質カウンタB1a’〜B1c’のカウント値を順次増加させる。   The diffusion circuit KC includes substance counters B1a to B3, B1a 'to B3 so that each substance diffuses according to the count values of the substance counters B1a to B3, B1a' to B3 ', that is, the number of molecules or atoms of each substance. Control the count value of '. For example, when the total value of the count values of the substance counters B1a to B1c is larger than the total value of the count values of the substance counters B1a ′ to B1c ′, the counts of the substance counters B1a to B1c are followed according to a predetermined diffusion rate until an equilibrium state is reached. The values are sequentially decreased, and the count values of the substance counters B1a ′ to B1c ′ are sequentially increased correspondingly.

なお、図4では、セルC1,C2用のハードウエアシミュレータCB1,CB2において接続変更制御部CC,CC’及び物質カウンタB1a〜B3,B1a’〜B3’のみを図示しているが、各ハードウエアシミュレータCB1,CB2も、図1に示すハードウエアシミュレータと同様に構成され、乱数発生器、酵素カウンタ、絞り回路、反応実行回路及び接続切り換え回路(図示省略)を有している。したがって、ハードウエアシミュレータCB1,CB2も、図1に示すハードウエアシミュレータと同様に動作し、各セルC1,C2ごとに内部の生化学反応がシミュレーションされ、物質カウンタB1a〜B1c,B1a’〜B1c’のうち一の物質カウンタのカウント値が下限値又は上限値に達した場合、接続変更制御部CCは、装置全体の動作を停止させ、下限値又は上限値に達した物質カウンタのカウント値が中間値に戻るように物質カウンタと反応実行回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる。   In FIG. 4, only the connection change control units CC and CC ′ and the material counters B1a to B3 and B1a ′ to B3 ′ are illustrated in the hardware simulators CB1 and CB2 for the cells C1 and C2. The simulators CB1 and CB2 are also configured in the same manner as the hardware simulator shown in FIG. 1, and have a random number generator, an enzyme counter, a throttle circuit, a reaction execution circuit, and a connection switching circuit (not shown). Accordingly, the hardware simulators CB1 and CB2 also operate in the same manner as the hardware simulator shown in FIG. 1, and the internal biochemical reaction is simulated for each of the cells C1 and C2, and the substance counters B1a to B1c and B1a ′ to B1c ′. When the count value of one of the substance counters reaches the lower limit value or the upper limit value, the connection change control unit CC stops the operation of the entire apparatus, and the count value of the substance counter that has reached the lower limit value or the upper limit value is intermediate. After correcting the connection state between the substance counter and the reaction execution circuit so as to return to the value, the operation of the apparatus is resumed.

上記のように、細胞を複数のセルに分割し、セルごとに生化学反応による物質の変化量をシミュレーションするとともに、隣接するセル間での各物質の拡散をシミュレーションすることにより、細胞内の各物質の濃度勾配を考慮して細胞内の物質の変化量をシミュレーションすることができる。同時に、物質カウンタB1a〜B1c,B1a’〜B1c’のうち一の物質カウンタのカウント値が下限値又は上限値となったことを修正条件として判定し、この場合に装置の動作を停止させ、一の物質に対する全体的な反応ネットワークを維持しながら、当該物質に割り当てられている物質カウンタのカウント値が適正な範囲になるように装置構成を自動的に修正し、装置の動作を再開させてシミュレーション動作を継続することができる。   As described above, the cell is divided into a plurality of cells, and the amount of change of the substance due to the biochemical reaction is simulated for each cell, and each substance in the cell is simulated by simulating the diffusion of each substance between adjacent cells. The change amount of the substance in the cell can be simulated in consideration of the substance concentration gradient. At the same time, it is determined as a correction condition that the count value of one of the substance counters B1a to B1c and B1a ′ to B1c ′ is the lower limit value or the upper limit value. In this case, the operation of the apparatus is stopped, While maintaining the overall reaction network for a substance, the device configuration is automatically corrected so that the count value of the substance counter assigned to the substance falls within the proper range, and the operation of the apparatus is restarted for simulation. The operation can be continued.

次に、多細胞の生化学反応をシミュレーションする場合について説明する。図5は、多細胞の生化学反応をシミュレーションする方法を説明するための概略図である。図5に示すように、図3と同様に各細胞を複数のセルCE(図中のハッチングのないセル)に分割するとともに、細胞間に存在する細胞壁を複数の細胞壁セルWC(図中のハッチングを施したセル)に分割する。この場合、各細胞内では、図3及び図4を用いて説明した細胞内のシミュレーションと同様に生化学反応がシミュレーションされる。   Next, a case where a multicellular biochemical reaction is simulated will be described. FIG. 5 is a schematic view for explaining a method of simulating a multicellular biochemical reaction. As shown in FIG. 5, each cell is divided into a plurality of cells CE (cells without hatching in the figure) as in FIG. 3, and the cell wall existing between the cells is divided into a plurality of cell wall cells WC (hatching in the figure). Cell). In this case, in each cell, a biochemical reaction is simulated in the same manner as the intracellular simulation described with reference to FIGS.

また、細胞壁を表す細胞壁セルWCの部分は、例えば、拡散が起こらない、すなわち細胞間で物質が拡散しないものとしてシミュレーションを行ってもよく、また、細胞壁でもある程度の拡散が行われるとして、細胞内の細胞セルと同様に拡散回路を用いて拡散をシミュレーションしてもよい。   In addition, the portion of the cell wall cell WC that represents the cell wall may be simulated, for example, as diffusion does not occur, that is, the substance does not diffuse between cells. Similar to the cell cell, diffusion may be simulated using a diffusion circuit.

上記のように、各細胞を複数のセルに分割するとともに、細胞壁を複数の細胞壁セルに分割し、セルごとに生化学反応による物質の変化量をシミュレーションしながら、細胞内で隣接するセル間の各物質の拡散等をシミュレーションすることにより、多細胞についても、その生化学反応を同様にシミュレーションできる。同時に、稀にしか発生しないような事象を修正条件として検出し、この結果生じる主要な反応を処理できるように装置構成を自動的に修正することができる。   As described above, each cell is divided into a plurality of cells, the cell wall is divided into a plurality of cell wall cells, and the amount of change of a substance due to a biochemical reaction is simulated for each cell, and between adjacent cells in the cell. By simulating the diffusion of each substance, the biochemical reaction can be simulated in the same way for many cells. At the same time, an event that rarely occurs can be detected as a correction condition, and the apparatus configuration can be automatically corrected so that the main reaction that occurs as a result can be processed.

なお、本発明が適用可能なハードウエアシミュレータは、上記の例に特に限定されず、所定のハードウエアから構成され、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーション対象物の変化量をシミュレーションするハードウエアシミュレータであれば、種々の分野に適用可能である。例えば、脳細胞及び神経回路網等の生物シミュレーション、遺伝子進化及び生物の個体進化シミュレーション、渡り鳥の移動等に関する生態系シミュレーション、移動物に関する交通システムシミュレーション、避難シミュレーション、数値流体シミュレーション、気象シミュレーション、ロジスティクスシミュレーション、電力供給シミュレーション、都市計画等に関する都市シミュレーション、企業間取引及び株式・先物取引等に関する経済システムシミュレーション、経営シミュレーション、電気回路及び集積回路等の電磁シミュレーション、半導体及び材料の電子レベルシミュレーションに適用することができる。   The hardware simulator to which the present invention is applicable is not particularly limited to the above example, and is a hardware simulator that is configured from predetermined hardware and that simulates the amount of change in the simulation target due to the reaction between the simulation targets. If it exists, it is applicable to various fields. For example, biological simulation of brain cells and neural networks, genetic evolution and individual evolution simulation of living organisms, ecosystem simulation for migratory bird movement, transportation system simulation for moving objects, evacuation simulation, numerical fluid simulation, weather simulation, logistics simulation , Power supply simulation, city simulation for city planning, etc., economic system simulation for business transactions and stock / future transactions, management simulation, electromagnetic simulation of electrical circuits and integrated circuits, electronic level simulation of semiconductors and materials Can do.

本発明の一実施の形態によるハードウエアシミュレータの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the hardware simulator by one embodiment of this invention. 物質カウンタのカウント値に応じた接続状態の修正方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the correction method of the connection state according to the count value of a substance counter. 細胞内の各物質の濃度勾配を考慮して細胞内の生化学反応をシミュレーションする方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the method of simulating the biochemical reaction in a cell in consideration of the concentration gradient of each substance in a cell. 図3に示す2つのセルにおける物質の拡散をシミュレーションする場合のハードウエアシミュレータの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the hardware simulator in the case of simulating the spreading | diffusion of the substance in two cells shown in FIG. 多細胞の生化学反応をシミュレーションする方法を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the method of simulating the biochemical reaction of a multicell.

符号の説明Explanation of symbols

R1〜Rn 乱数発生器
K1〜Kn 酵素カウンタ
V1〜Vn 絞り回路
H1〜Hn 反応実行回路
B1〜Bm 物質カウンタ
SW 接続切り換え回路
CC 接続変更制御部
R1 to Rn Random number generator K1 to Kn Enzyme counter V1 to Vn Restriction circuit H1 to Hn Reaction execution circuit B1 to Bm Substance counter SW Connection switching circuit CC Connection change control unit

Claims (5)

所定のハードウエアから構成され、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーション対象物の変化量をシミュレーションするハードウエアシミュレータであって、
シミュレーション対象物に関する値を演算する複数の演算素子と、
前記シミュレーション対象物間の反応に応じて前記演算素子の値を変化させる複数の反応回路と、
前記シミュレーション対象物間の反応に応じて前記反応回路と前記演算素子との接続を切り替える切り替え回路と、
前記演算素子の値を基に所定の修正条件を満たしているか否かを判定し、前記修正条件を満たしていると判定した場合、装置の動作を停止させて前記反応回路と前記演算素子との接続状態を変更するように前記切り替え回路を制御して前記反応回路と前記演算素子との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる修正手段とを備えることを特徴とするハードウエアシミュレータ。
A hardware simulator configured with predetermined hardware and simulating the amount of change of the simulation object due to the reaction between the simulation objects,
A plurality of computing elements for computing values related to the simulation target;
A plurality of reaction circuits that change the value of the computing element in accordance with a reaction between the simulation objects;
A switching circuit that switches connection between the reaction circuit and the computing element in accordance with a reaction between the simulation objects;
It is determined whether or not a predetermined correction condition is satisfied based on the value of the arithmetic element, and when it is determined that the correction condition is satisfied, the operation of the apparatus is stopped and the reaction circuit and the arithmetic element A hardware simulator, comprising: a correcting unit that controls the switching circuit so as to change a connection state and corrects a connection state between the reaction circuit and the arithmetic element, and then restarts an operation of the apparatus.
前記演算素子は、第1のシミュレーション対象物に対して割り当てられ且つ前記第1のシミュレーション対象物と反応する複数の第2のシミュレーション対象物をグループ分けしたグループごとに設けられ、前記第1のシミュレーション対象物に関する値をカウントする複数のカウント回路を含み、
前記反応回路は、反応の進行状態に応じて、反応前の各シミュレーション対象物の量を表すカウント回路のカウント値を減少させるとともに、反応後の各シミュレーション対象物の量を表すカウント回路のカウント値を増加させることを特徴とする請求項1記載のハードウエアシミュレータ。
The computing element is provided for each group obtained by grouping a plurality of second simulation objects assigned to the first simulation object and reacting with the first simulation object. Including a plurality of counting circuits for counting values relating to the object;
The reaction circuit reduces the count value of the count circuit that represents the amount of each simulation target object before the reaction according to the progress state of the reaction, and the count value of the count circuit that represents the amount of each simulation target object after the reaction The hardware simulator according to claim 1, wherein the hardware simulator is increased.
前記修正手段は、前記修正条件として前記複数のカウント回路のうち一のカウント回路のカウント値が所定の下限値に達したか否かを判定し、前記一のカウント回路のカウント値が下限値に達したと判定した場合、装置の動作を停止させ、前記一のカウント回路を増加させる反応回路と前記一のカウント回路との接続数が他のカウント回路を増加させる反応回路と前記他のカウント回路との接続数より増加するように前記切り替え回路を制御して前記反応回路と前記カウント回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる修正回路を含むことを特徴とする請求項2記載のハードウエアシミュレータ。   The correction means determines whether the count value of one count circuit among the plurality of count circuits has reached a predetermined lower limit value as the correction condition, and the count value of the one count circuit is set to a lower limit value If it is determined that the number of connections has been reached, the operation of the apparatus is stopped, and the reaction circuit that increases the one count circuit and the number of connections between the one count circuit and the other count circuit are increased. 3. A correction circuit for restarting the operation of the apparatus after correcting the connection state between the reaction circuit and the count circuit by controlling the switching circuit so as to increase from the number of connections to the counter circuit. The described hardware simulator. 前記修正手段は、前記修正条件として前記複数のカウント回路のうち一のカウント回路のカウント値が所定の上限値に達したか否かを判定し、前記一のカウント回路のカウント値が上限値に達したと判定した場合、装置の動作を停止させ、前記一のカウント回路を減少させる反応回路と前記一のカウント回路との接続数が他のカウント回路を減少させる反応回路と前記他のカウント回路との接続数より増加するように前記切り替え回路を制御して前記反応回路と前記カウント回路との接続状態を修正した後、装置の動作を再開させる修正回路を含むことを特徴とする請求項2又は3記載のハードウエアシミュレータ。   The correction means determines whether the count value of one count circuit among the plurality of count circuits has reached a predetermined upper limit value as the correction condition, and sets the count value of the one count circuit to an upper limit value. If it is determined that the number of connections has been reached, the operation of the apparatus is stopped, and the reaction circuit that reduces the one count circuit and the number of connections between the one count circuit and the other count circuit are reduced. 3. A correction circuit for restarting the operation of the apparatus after correcting the connection state between the reaction circuit and the count circuit by controlling the switching circuit so as to increase from the number of connections to the counter circuit. Or the hardware simulator of 3. 前記修正手段は、ホストコンピュータから構成されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のハードウエアシミュレータ。   The hardware simulator according to claim 1, wherein the correction unit includes a host computer.
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