JPH07160744A - 自律進化型ハードウェア設計システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 使用目的に適合した回路を自律的に生成する
とともに、異なるアーキテクチャの回路を多数用意する
ことで、使用目的に最も適合したアーキテクチャを自動
的に発見，生成する汎用性の高い自律進化型ハードウェ
ア設計方法を提供する。 【構成】 ハードウェア仕様記述部１によってハードウ
ェアの仕様を記述し、そのハードウェア仕様記述２をハ
ードウェア仕様解釈部３によって解釈し、ハードウェア
の動作を生成し、その生成されたハードウェアの動作と
要求される動作仕様から出来上がったハードウェアを使
用する際の適合度を適合度算出部５で算出し、算出され
た適合度を参照して、記述変更部６はハードウェア仕様
記述部１のハードウェア仕様記述２を変更する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は自律進化型ハードウェ
ア設計システムに関し、特に、人手によるハードウェア
設計によらず、使用目的に応じてハードウェア仕様が自
律的に進化・適合するような自律進化型ハードウェア設
計システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】大規模集積回路（ＬＳＩ）技術が進歩す
るにつれて、電子回路の応用範囲が広がり、多種多様な
大規模で複雑なハードウェアが必要とされるようになっ
てきている。このような複雑なハードウェアを人間が手
作業ですべて設計するのはほとんど不可能であるため、
種々の計算機援用設計（ＣＡＤ）システムが作られてい
る。

【０００３】図６はそのようなＣＡＤシステムの一例を
示すブロック図である。図６に示したシステムを用いた
設計では、まず設計者がハードウェア記述言語（ＨＤ
Ｌ）を入力部２１から入力して回路の動作を記述する。
なお、ここでＨＤＬで回路の動作を記述するのは一例で
あり、回路の動作を記述するＨＤＬ以外にも、トランジ
スタ回路の接合を記述するＨＤＬや、論理ゲートのネッ
トリストを記述するＨＤＬや、回路動作よりも上位のハ
ードウェア仕様を記述するＨＤＬなど、種々のＨＤＬが
考えられる。

【０００４】次に、入力部２１で記述した回路をシミュ
レータ２３に与え、ＨＤＬソース２２に記憶されている
シミュレータプログラムに従って、文法的な記述誤りが
チェックされた後、記述した回路が入力信号に対して思
った通りの動作をするかがシミュレーションによって確
認される。その後、回路の記述がシンセサイザ２４に与
えられ、シンセサイザプログラムによって回路図データ
２５あるいはＬＳＩ製造用のマスクパターンデータ２６
が作成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図６に示し
たＣＡＤシステムを用いても、最初のＨＤＬを用いた回
路の記述は人間が行なわなければならない。使用目的に
十分適合した回路をＨＤＬを用いて記述することは熟練
を要する作業となる。

【０００６】また、使用目的に適合した動作を行なう回
路のＨＤＬ記述は、普通何通りもある。そして、特に、
それらのアーキテクチャが互いに異なる場合、記述の形
もかなり異なったものになることも多い。しかも、記述
の違いによって出来上がって来る回路が、動作は同じで
も、たとえば応答速度などの能力の点で相当の開きがあ
ることも多い。どのアーキテクチャが最も優れているか
は入力信号の傾向にも依存するため、一般的に求める方
法がないのはもちろん、経験を積んだ設計者でも容易に
は判断できない。

【０００７】アーキテクチャの選択の問題に対しては、
複数の設計例を用意した上で、コンピュータシミュレー
ションを行なうか、もしくは実際に回路・ＬＳＩを作製
して実環境で使用して能力を比較測定するしか現在方法
がない。

【０００８】一方、ＣＡＤシステムを用いても設計には
かなりの労力を要するため、実際には多くてせいぜい数
種、大抵は１種類の設計例しか用意できない。したがっ
て、最適な回路を設計するというよりは、とりあえず動
作する回路を作り、回路の能力については設計者の勘に
頼るというのが現状である。

【０００９】それゆえに、この発明の主たる目的は、使
用目的に適合した回路を自律的に生成するとともに、異
なるアーキテクチャの回路を多数用意することにより、
使用目的に最も適合したアーキテクチャを自動的に発見
・生成が可能な汎用性の高い自律進化型ハードウェア設
計システムを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
電子回路のハードウェアを設計するための自律進化型ハ
ードウェア設計システムであって、ハードウェアの仕様
を記述するためのハードウェア仕様記述手段と、記述さ
れた仕様を解釈して、そのハードウェアの動作を生成す
るハードウェア仕様解釈手段と、生成されたハードウェ
アの動作と要求される動作仕様から出来上がったハード
ウェアを使用する際の適合度を算出する適合度算出手段
と、算出された適合度を参照してハードウェア仕様記述
手段におけるハードウェアの記述を変更する記述変更手
段を備えて構成される。

【００１１】請求項２に係る発明では、請求項１のハー
ドウェア仕様記述手段は、ハードウェアの仕様をハード
ウェア記述言語を用いて表現する。

【００１２】請求項３に係る発明では、請求項１の記述
変更手段は、ハードウェア記述言語によるハードウェア
の仕様記述の一部分を、当該部分と文法的に等価な記述
に置換える。

【００１３】請求項４に係る発明では、請求項１ないし
３のハードウェア仕様記述手段は、複数のハードウェア
の仕様を記述し、記述変更手段は、複数のハードウェア
の仕様の適合度を基に遺伝的アルゴリズムを用いて記述
の変更を行なう。

【００１４】

【作用】この発明に係る自律進化型ハードウェア設計シ
ステムは、ハードウェア仕様記述手段によってハードウ
ェアの仕様を記述し、その記述をハードウェア仕様解釈
手段によって解釈してそのハードウェアの動作を生成
し、生成されたハードウェアの動作と要求される動作仕
様から出来上がったハードウェアを使用する際の適合度
を適合度算出手段によって算出し、算出された適合度を
参照して、記述変更手段によりハードウェア仕様記述手
段におけるハードウェアの記述を変更することにより、
適合度を計りながらハードウェアの記述を自律的に使用
目的に合わせて進化させることができる。

【００１５】より好ましくは、ハードウェア記述言語を
用いることにより、必要な場合は人間による記述の変更
の後の介入を容易にできる。

【００１６】さらに好ましくは、ハードウェアの仕様の
記述の一部分を、当該部分と文法的に等価な記述に置換
える操作を行なうことにより、回路の意味のある変形の
みを行ない、動作しない無駄な回路の生成を抑制し、請
求項１によるハードウェア記述の使用目的への適合を効
率化することができる。

【００１７】さらにより好ましくは、遺伝的アルゴリズ
ムを用いてハードウェアの記述の組み換え，変更を行な
うことにより、遺伝的アルゴリズムで潜在的に生じるＮ
³ （Ｎは記述されたハードウェア仕様例の数）程度の並
列動作によりハードウェア記述を素早く問題に適用させ
ることができる。

【００１８】

【実施例】図１はこの発明の一実施例の概略ブロック図
であり、図２はより具体的な実施例のブロック図であ
り、図３はハードウェア記述言語を使用したハードウェ
ア仕様の記述例である。

【００１９】図１および図２に示したハードウェア仕様
記述部１では、図３に示したような記述が扱われる。こ
こで、図１および図２に示した自律進化型ハードウェア
設計システム全体の説明を行なう前に、図３のハードウ
ェア仕様記述例について説明する。

【００２０】図３において、まず最初に、ハードウェア
回路で使用される部品が宣言される。構成要素宣言開始
と構成要素宣言終了で挟まれた部分が部品の宣言であ
る。この例では、入力端子としてｉｎ１という名前の端
子を宣言し、出力端子としてｏｕｔ１という名前の端子
を宣言し、レジスタとしてｃｏｕｎｔｅｒという名前の
部品を宣言している。続いて、モデルとは、すでに存在
しているハードウェア回路をマクロとして使用するとい
う宣言であり、この例では、すでに存在しているＩＮＣ
ＲＥＭＥＮＴという形のハードウェア回路をｉｎｃｒ１
という名前で使用するということを宣言している。

【００２１】続いて、動作定義開始と動作定義終了で挟
まれた部分に、目的とするハードウェアの動作が記述さ
れる。この例では、ｃｏｕｎｔｅｒというレジスタにｉ
ｎ１という入力端子の内容を入れ、さらに、そのレジス
タを入力として、ｉｎｃｒ１という名前のＩＮＣＲＥＭ
ＥＮＴ型ハードウェア回路を動作させて、その出力をｃ
ｏｕｎｔｅｒに入れ、最後に、ｃｏｕｎｔｅｒの内容を
ｏｕｔ１という出力端子に入れるというものである。

【００２２】図３に示した例は、ハードウェア回路を上
位レベルの動作で記述したハードウェア記述言語による
例であるが、同様に、ハードウェアをトランジスタレベ
ルで記述する、ゲートレベルで記述するなどしてもよ
く、図１に示された自律進化型ハードウェア設計システ
ムは、ハードウェア記述言語自体に依存するものではな
い。

【００２３】次に、図１を参照して、自律進化型ハード
ウェア設計システムの一実施例について説明する。ハー
ドウェア仕様記述部１はハードウェアの仕様を記述する
ためのハードウェア仕様記述２を含み、このハードウェ
ア仕様記述２は信号線８によってハードウェア仕様解釈
部３と記述変更部６とに与えられる。ハードウェア仕様
解釈部３に対象とする問題を表わす信号が信号ライン７
を介して入力される入出力部４が設けられる。ここで、
対象とする問題とは、作製しようとするハードウェアで
達成しようとする目的のことを言う。入出力部４は信号
線７を介して入力された対象とする問題を表わす信号を
ハードウェア仕様解釈部３と適合度算出部５に出力す
る。ハードウェア仕様解釈部３は、入出力部４から入力
される対象とする問題を表わす信号７とハードウェア仕
様記述部８から与えられた信号８によって入力されるハ
ードウェア仕様記述２の内容とによって、ハードウェア
仕様記述２によって得られる実際のハードウェアが、対
象とする問題に対していかに動作するかを表わす動作結
果を演算する。そして、ハードウェア仕様解釈部３はそ
の動作結果を表わす信号９を入出力部４に入力する。入
出力部４はその動作結果を表わす信号９を適合度算出部
５に出力する。適合度算出部５は入力された仕様記述２
の動作結果を表わす信号９が対象とする問題７にどの程
度適応したかを表わす適応度を演算し、その演算結果で
ある評価値を表わす信号１０を記述変更部６に入力す
る。

【００２４】記述変更部６は、現在のハードウェア仕様
記述２を、それらの評価値である信号１０を基にして変
形することにより、新たな仕様記述を自動的に生成し、
その結果を信号１１としてハードウェア仕様記述部１に
出力する。この信号１１として出力された内容は、ハー
ドウェア仕様記述２の新しい内容となる。この新たな仕
様記述を自動生成する過程において、後で説明する仕様
記述の文法的に等価な記述への置換えが使用される。記
述変更部６で新たに生成され、信号１１によりハードウ
ェア仕様記述２に入力された新たな仕様記述を用いて、
上述の動作を実行するということを繰返すことにより、
次第に対象とする問題に対して適応度の高いハードウェ
ア仕様記述が生み出され、最終的に対象とする問題を完
全に満足するハードウェアを実現する仕様記述を獲得す
ることができる。

【００２５】次いで、仕様記述の文法的に等価な記述へ
の置換えについて説明する。仕様記述はハードウェア記
述言語を用いて記述された文章であり、したがって、仕
様記述は使用したハードウェア記述言語の文法を満たし
ている必要がある。もし、特別な機構を設けることな
く、仕様記述に任意の変形を加えたならば、その結果と
して文法的に正しい記述が得られる可能性は低く、対象
とする問題に対してより適応度の高い仕様記述を獲得す
るという目的を達成することはできない。そこで、仕様
記述の変形に際して、仕様記述の中の、ある部分記述を
文法的に等価な別の部分記述に置換えるという機構を導
入する。この機構の導入により、記述変更部６での仕様
記述の変形において、文法的に誤った無意味な記述を生
み出すことなく、文法的に正しい意味のある仕様記述を
得ることが可能となる。

【００２６】次に、図４を参照して、文法的に等価な記
述への置換えを英語の例をとって説明する。図４（ａ）
は英語の文法であり、簡単のため、図４（ａ）で示した
主語と述語と目的語とからなる文の文法だけを考える。
図４（ａ）の文法に従って記述された文章が図４（ｂ）
と（ｃ）である。図４（ａ）をハードウェア記述言語の
文法と考えれば、図４（ｂ）と図４（ｃ）はハードウェ
アの仕様記述ということができる。これらの図に付けら
れた（１），（２），（３），（４）の場所での記述
は、それぞれ文法的に等価な記述ということができる。
すなわち、図４（ｂ）と図４（ｃ）において、同じ番号
が付けられた記述を交換したとしても、その結果の文章
は図４（ａ）の文法を満足した完全に正しい文章であ
る。たとえば図４（ｂ）の「Ｈｅｒ」と図４（ｃ）の
「Ｈｉｍ」は文法的に等価であり、これらを交換してで
きた２個の文章、 Ｉ Ｌｏｖｅ Ｈｉｍ． Ｙｏｕ Ｋｎｏｗ Ｈｅｒ． は、それぞれ文法図４（ａ）を満足した正しい文章であ
る。また、図４（ｂ）において「Ｌｏｖｅ」を文法的に
等価である「Ｌｉｋｅ」に置換えたとしても、出来上が
った文章 Ｉ Ｌｉｋｅ Ｈｉｍ． は、また文法図４（ａ）を満足する正しい文章である。

【００２７】このように、図４で説明した等価文法置換
え機構を、図１の記述変更部６におけるハードウェア仕
様記述の変形の際に使用している。

【００２８】次いで、図２を参照して、自律進化型ハー
ドウェア設計システムのより具体的な実施例について説
明する。ハードウェア仕様記述部１は複数のハードウェ
ア仕様記述、たとえば３つのハードウェア仕様記述２
ａ，２ｂ，２ｃを含む。各ハードウェア仕様記述２ａ，
２ｂ，２ｃは信号８ａ，８ｂ，８ｃを介してハードウェ
ア仕様解釈部３と記述変更部６に接続されている。ハー
ドウェア仕様解釈部３は図１と同様にして、入出力部４
から入力される対象とする問題を表わす信号７と信号８
ａ，８ｂ，８ｃによって入力されるハードウェア仕様記
述２ａ，２ｂ，２ｃの内容とによって、各仕様記述２
ａ，２ｂ，２ｃにより得られる実際のハードウェアが、
対象とする問題に対していかに動作するかを表わす動作
結果を演算し、その動作結果を表わす信号９ａ，９ｂ，
９ｃを入出力部４に入力する。適合度算出部５には、入
出力部４から各仕様記述２ａ，２ｂ，２ｃの動作結果を
表わす信号９ａ，９ｂ，９ｃと対象とする問題を表す信
号７とが入力される。適合度算出部５は、入力された各
仕様記述２ａ，２ｂ，２ｃの動作結果を表わす信号９
ａ，９ｂ，９ｃが信号７を介して与えられる対象とする
問題にどの程度適応したかを表わす適応度を演算し、そ
の演算結果である評価値を表わす信号１０を適合度算出
部５の出力として記述変更部６に与える。

【００２９】記述変更部６は、現在の仕様記述２ａ，２
ｂ，２ｃを、それらの評価値である信号１０を基にして
変形することにより、新たな仕様記述を複数個（この場
合は３個）を自動的に生成し、その結果を信号１１とし
て、ハードウェア仕様記述２ａ，２ｂ，２ｃのそれぞれ
の新しい内容となる。この新たな仕様記述を自動生成す
る過程において、後で説明する遺伝的アルゴリズムが使
用される。

【００３０】記述変更部６で新たに生成され、信号１１
によりソフトウェア仕様記述２ａ，２ｂ，２ｃに入力さ
れた新たな仕様記述を用いて、図１の動作を実行すると
いうことを繰返すことにより、次第に対象とする問題に
対して適応度の高い仕様記述が生み出され、最終的に対
象とする問題を完全に満足するハードウェアを実現する
仕様記述を獲得することができる。

【００３１】なお、図２に示したハードウェア仕様解釈
部３と入出力部４と適合度算出部５などを複数個用意し
ておき、並列に動作させることにより、より高速に上述
の動作を実行することが可能となる。

【００３２】また、対象とする問題によっては、信号９
ａ，９ｂ，９ｃを入出力部４を通さずに、直接ハードウ
ェア仕様解釈部３から適合度算出部５に入力するように
してもよい。

【００３３】図５は遺伝的アルゴリズムを示すフローチ
ャートである。次に、図２および図５を参照して、遺伝
的アルゴリズムの動作について説明する。たとえば、ハ
ードウェア仕様記述２ａ，２ｂ，２ｃは始めに任意のも
のが用意される。これらのハードウェア仕様記述２ａ，
２ｂ，２ｃはハードウェア仕様解釈部３に信号８ａ，８
ｂ，８ｃを介して入力されるとともに、記述変更部６に
も入力される。同時に、入出力部４から対象とする問題
を表わす信号７がハードウェア仕様解釈部３に与えられ
る。ハードウェア仕様解釈部３はハードウェア仕様記述
２ａ，２ｂ，２ｃと対象とする問題とに基づいて演算を
行ない、実際のハードウェアとしての動作結果を信号９
ａ，９ｂ，９ｃとして入出力部４に出力する。動作結果
の信号９ａ，９ｂ，９ｃはさらに対象とする問題を表わ
す信号７とともに適合度算出部５に入力され、各ハード
ウェア仕様記述２ａ，２ｂ，２ｃが対象とする問題に対
してどの程度適応しているかが演算され、その結果が評
価値として信号１０により記述変更部６に入力される。

【００３４】記述変更部６では評価値が他の仕様記述よ
りも高い、すなわち、対象とする問題に対してより適応
している仕様記述を基にして、新たなハードウェア仕様
記述２ａ，２ｂ，２ｃを決定する。この際、仕様記述の
文法的に等価な記述への置換えという機構が用いられ
る。このようにして得られた新たなハードウェア仕様記
述２ａ，２ｂ，２ｃを用いて、上述の動作と同様にし
て、仕様解釈および評価といった過程が行なわれる。こ
のような過程を繰返えすことにより、仕様記述が対象と
する問題に対して適応した状態となる。

【００３５】以上のような遺伝的アルゴリズムを用いる
ことにより、遺伝的アルゴリズムで潜在的に生じるＮ³
（Ｎは仕様記述の数）程度の並列動作ができ、素早く対
象とする問題に適応するハードウェア仕様記述を獲得す
ることができる。また、遺伝的アルゴリズムでは、同時
に複数の仕様記述を扱うために、多様な仕様記述を維持
することが可能であり、１個の対象とする問題に対して
複数の有効な仕様記述を獲得することが可能となる。す
なわち、異なるアーキテクチャの回路を多数用意するこ
とができる。さらに、その他の多様性ゆえに、対象とす
る問題自体が変化を起こすといった自体が発生した場合
にも、素早く変化した問題に適応するハードウェア仕様
を生成することが可能となる。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、記述
されたハードウェアの仕様を解釈してそのハードウェア
の動作を生成し、その動作と要求される動作仕様から出
来上がったハードウェアを使用する際の適合度を算出
し、その適合度を参照してハードウェアの記述を変更す
るようにしたので、使用目的に適合した動作を行なうハ
ードウェアを自律進化的に設計できるとともに、多様な
アーキテクチャによる多数の設計例の中から自動的に選
び出すことにより、使用目的に最適なハードウェアを得
ることができる。

【００３７】また、この発明はハードウェアの動作に限
らず、たとえばオートマトン記述される人工的生物の行
動，動作の実験システムや、自律的な並列プロセスの動
作シミュレーションにも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】この発明のより具体的な実施例を示すブロック
図である。

【図３】ハードウェア記述言語によるハードウェア仕様
記述例を示す図である。

【図４】等価文法置換えを説明するための図である。

【図５】遺伝的アルゴリズムの動作を説明するためのフ
ローチャートである。

【図６】従来の電子回路の計算機援用設計（ＣＡＤ）シ
ステムを説明するためのブロック図である。

【符号の説明】

１ ハードウェア仕様記述部 ２，２ａ，２ｂ，２ｃ ハードウェア仕様記述 ３ ハードウェア仕様解釈部 ４ 入出力部 ５ 適合度算出部 ６ 記述変更部

フロントページの続き (72)発明者 溝口 潤一 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷５ 番地 株式会社エイ・ティ・アール人間情 報通信研究所内 (72)発明者 下原 勝憲 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷５ 番地 株式会社エイ・ティ・アール人間情 報通信研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子回路のハードウェアを設計するため
   の自律進化型ハードウェア設計システムであって、 ハードウェアの仕様を記述するためのハードウェア仕様
   記述手段と、 前記ハードウェア仕様記述手段によって記述された仕様
   を解釈して、そのハードウェアの動作を生成するハード
   ウェア仕様解釈手段、 前記ハードウェア仕様解釈手段によって生成されたハー
   ドウェアの動作と要求される動作仕様から出来上がった
   ハードウェアを使用する際の適合度を算出する適合度算
   出手段、および前記適合度算出手段によって算出された
   適合度を参照して、前記ハードウェア仕様記述手段にお
   けるハードウェアの記述を変更する記述変更手段を備え
   た、自律進化型ハードウェア設計システム。
2. 【請求項２】 前記ハードウェア仕様記述手段は、前記
   ハードウェアの仕様をハードウェア記述言語を用いて表
   現することを特徴とする、請求項１の自律進化型ハード
   ウェア設計システム。
3. 【請求項３】 前記記述変更手段は、前記ハードウェア
   記述言語によるハードウェアの仕様記述の一部分を当該
   部分と文法的に等価な記述に置換えることを特徴とす
   る、請求項１の自律進化型ハードウェア設計システム。
4. 【請求項４】 前記ハードウェア仕様記述手段は、複数
   のハードウェアの仕様を記述し、 前記記述変更手段は、前記複数のハードウェアの仕様の
   適合度を基に遺伝的アルゴリズムを用いて記述変更を行
   なうことを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに
   記載の自律進化型ハードウェア設計システム。