Design und Analyse integrierter Schaltungen mit evolutionären Algorithmen

Die Untersuchung neuartiger Schaltungstechniken und Bauelemente erfordert die Erarbeitung spezifischen Systemwissens zur Bestimmung eines geeigneten Entwurfes für integrierte Schaltungen. Zur Unterstützung dieses Prozesses wird in dieser Arbeit der Ansatz eines automatisierten Schaltungsdesigns mit Hilfe evolutionärer Algorithmen vorgestellt und am Beispiel einfacher Grundschaltungen umgesetzt. Die weitergehende Verwendung evolutionärer Algorithmen zur Vektoroptimierung erlaubt die Analyse integrierter Schaltungen durch Identifikation von Parameterabhängigkeiten der Schaltung.The survey of innovative circuit techniques and devices demands specific system knowledge to determine suitable integrated circuit design. To support this process an approach of automated circuit design by evolutionary algorithms is presented and implemented at exemplary basic circuits. The further use of evolutionary algorithms to vector optimization, allows analyzing integrated circuits by identifying circuit parameter dependencies

TUKUTURI: eine dynamisch selbstrekonfigurierbare Softcore Prozessorarchitektur

Der Entwurf von Systemen zur digitalen Signalverarbeitung stellt den Entwickler vor stetig wachsende Herausforderungen, die durch zunehmende Komplexität von Anwendungen und die dafür benötigte Steigerung der Leistungsfähigkeit eingebetteter Systeme verursacht werden. Ein weiterer Aspekt neben der Leistungsfähigkeit ist die Flexibilität, die es erlaubt, Anwendungen und Algorithmen auch nach Auslieferung eines Systems zu verändern. Diese kann zum einen durch Verwendung von FPGAs erreicht werden, die eine Rekonfiguration der Hardware ermöglichen. Zum anderen können prozessorbasierte Systeme verwendet werden, die Flexibilität durch Programmierbarkeit bereitstellen. Anwendungsspezifische Anpassungen der Prozessorarchitektur und ein hohes Maß an paralleler Datenverarbeitung, beispielsweise durch VLIW-Prozessoren, stellen dabei Mittel zum Erreichen hoher Leistungen dar. Das Thema dieser Arbeit ist die Untersuchung eines Entwurfsprozesses für anwendungsspezifische Prozessorsysteme. Dieser basiert auf einem flexiblen SIMD-VLIW-Prozessor, der in großem Umfang konfiguriert und durch zusätzliche Hardwaremodule erweitert werden kann. Zur Exploration des Entwurfsraums werden Werkzeuge zur Analyse von Prozessorkonfigurationen in realen Anwendungen bereitgestellt sowie Methoden zur automatisierten Adaption der Architektur auf Basis dieser Analyseergebnisse untersucht. Die Kompilierung von Anwendungen für VLIW-Architekturen wird aufgrund der kombinatorischen Komplexität üblicherweise mittels statischer Heuristiken durchgeführt, wodurch eine optimale Adaption an flexible Architekturen erschwert werden kann. Daher werden hier dynamische Methoden zur Codegenerierung, die auf evolutionären Algorithmen basieren, untersucht. Die Umsetzung der Architektur als Softcore auf einem FPGA bietet zusätzlich die Möglichkeit der dynamischen Adaption der Hardware zur Laufzeit. Diese Möglichkeiten und deren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Prozessorsysteme werden ebenfalls untersucht. Die Analyse des Entwurfsprozesses in einer exemplarischen Anwendung der bildbasierten Objekterkennung und der Vergleich mit Implementierungen auf einem MIPS-Softcore bzw. VLIW-DSP zeigen die Eignung der Methoden zur Adaption von Softcore-Prozessoren und der EA-basierten Kompilierung von Anwendungen. Die dynamische Hardwarerekonfiguration zur Laufzeit kann bei reduziertem Flächenbedarf für die Hardware ohne Leistungsverlust eingesetzt werden

Entwicklungsumgebung für den rechnerunterstützten Entwurf von Mikrokomponenten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Konstruktionsumgebung für den rechnerunterstützten Entwurf mikromechanischer Komponenten auf der Grundlage des naßchemischen, anisotropen Tiefenätzens von monokristallinem Silizium entwickelt. Die Inhalte spannen einen Bogen vom Stand der Konstruktionsmethodik mikrotechnischer Systeme über die Konzeption und Implementierung einer neuen Entwurfssystematik bis hin zu deren Einsatz im Entwurf einer komplexen mikromechanischen Funktionsstruktur. Das Konzept der Umgebung trägt der Tatsache Rechnung, daß bislang kaum standardisierte mikrotechnische Bauteile am Markt verfügbar sind und sich daher primär die Aufgabe einer Neukonstruktion und Charakterisierung seiner Funktionskomponenten stellt. Die Komplexität und Heterogenität mikrotechnischer Bauelemente verhinderte bislang die einheitliche und überschaubare Integration einer rechnerunterstützten Entwicklung mikrotechnischer Komponenten und Systeme. Dem Funktionskonzept des mikrotechnischen Bauteils steht zudem vielfach ein restriktiver Einfluß der Fertigungstechnologie auf den Gestaltungsraum gegenüber. Die derzeit praktizierte, analytische Entwurfsmethodik, ausgehend vom Layout einer zweidimensionalen Maske auf die dreidimensionale (3D) Mikrostruktur zu schließen, ist daher schwierig und fehlerträchtig. Im Fall des anisotropen Ätzens gilt dieses insbesondere für komplexe Strukturen, deren Form nicht direkt aus dem Si-Kristall abgeleitet werden kann. In der Entwurfspraxis führt dies häufig zu einer Einengung des theoretisch nutzbaren Gestaltungsraums. Vor diesem Hintergrund realisiert die Konstruktionsumgebung folgende Zielsetzungen: - anwendergerechte Abbildung und Steuerung des Entwurfsablaufs anisotrop geätzter Mikrostrukturen und Dekomposition der Entwurfsaufgabe im Rahmen eines einheitlichen Integrationskonzepts der vorhandenen Entwurfswerkzeuge sowie Unterstützung einer kooperativen Aufgabenbearbeitung der Entwurfsaufgabe auf der Basis eines Workflow-Managementsystems. Das workflowbasierte Organisationskonzept der Umgebung unterstützt die einheitliche Integration weiterer domänenspezifischer Konstruktionsabläufe. - Verbesserung der Gestaltungsmethodik mikromechanischer Funktionskomponenten und Erweiterung des technologischen Anwendungsspektrums der anisotropen Ätztechnik durch die teilweise Umkehrung des klassischen Entwurfs-Grundformalismus. Grundlage ist die Entwicklung eines neuenWerkzeugs zur automatisierten Synthese lithographischer Maskenlayouts aus der 3DKomponentenbeschreibung (Layoutsynthese) auf der Basis genetischer Algorithmen. Die Layoutsynthese nutzt hierzu einen in die Konstruktionsumgebung integrierten Ätzsimulator. Das Programmsystem ist langfristig auf die Angliederung weiterer, lithographieorientierter Prozeßsimulationen ausgelegt. - Implementierung eines durchgängigen Informationsflusses im Entwurfsprozeß, ausgehend von der funktionalen Konzeption bis hin zur strukturellen Verifikation des Bauteils. Die Realisierung erfolgt im wesentlichen durch die Entwicklung einer Transformation der Ätzsimulationsergebnisse in ein Geometriemodell der Finite-Elemente-Methode auf der Grundlage rekursiver Octree- Datenstrukturen. Der Ansatz schließt die Lücke in der von der Entwurfssystematik unterstützten Wechselbeziehung einer zugleich technologie- und strukturorientierten Gestaltentwicklung mikromechanischer Funktionselemente. Zur Demonstration der Effektivität der Konstruktionsumgebung wird anhand des Entwurfs eines aus Sicht der Prozeßtechnik komplexen mikromechanischen Funktionsstruktur der Nutzen der Entwurfsmethodik und seiner Implementierung im Rahmen der vorliegenden Konstruktionsumgebung nachgewiesen. Die simulatorischen und technologischen Ergebnisse des Beispiels verdeutlichen insbesondere die erweiterten Gestaltungsmöglichkeiten anisotrop geätzter Mikrostrukturen

Hybride Optimierungsstrategien für komplexe technische Aufgabenstellungen

Im Entwicklungsprozess komplexer, technischer Systeme spielen Simulationsmethoden, denen parametrische Modelle zugrunde liegen, eine wichtige Rolle. Diese Modelle bilden physikalische oder technische Eigenschaften von Bauteilen oder ganzen Funktionssystemen ab und ermöglichen deren Simulation und virtuelle Entwicklung. Durch den Einsatz geeigneter mathematischer Optimierungsmethoden ist es möglich, das Potential dieser Systeme besser auszuschöpfen und wichtige Teile dieses Prozesses zu automatisieren. Die Kombination verschiedener Verfahren ist einer der erfolgversprechendsten Trends in der Optimierung. Dabei spielt insbesondere die Hybridisierung naturinspirierter, heuristischer Verfahren eine wichtige Rolle. Mit hybriden Optimierungsstrategien wird beispielsweise das Ziel verfolgt, die guten Eigenschaften verschiedener Verfahren zu vereinen, vorhandene Informationen besser auszunutzen oder Verfahrensparameter der Optimierungsverfahren adaptiv im Verlauf einer Optimierung geeignet anzupassen. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene hybride Strategien untersucht und bewertet. Als Ergebnis wird das neue hybride Optimierungsverfahren AHMOS (Adaptive Hybride Multicriterion Optimization Strategy) konstruiert

Entwurfsaerodynamische Studien an Tragflügelkonfigurationen im Hochgeschwindigkeitsbereich mit evolutionären Algorithmen

Diese Arbeit stellt eine Anwendung und Erweiterung evolutionärer Methoden auf die aerodynamische Optimierung dar. Durch die Implementation der natürlichen Anpassungsmethode der Evolution in einen Computeralgorithmus kann diese Methode auch für die Aerodynamik nutzbar gemacht werden. Im Mittelpunkt steht die Geometriedefinition, deren Qualität für die Aerodynamik durch die evolutionären Methoden beurteilt werden kann. Zu diesem Zweck werden die evolutionären Methoden, die genetischen Algorithmen und die evolutionäre Strategie für die notwendigen Optimierungsmaßnahmen verwendet. Die Funktionalität und Wirkungsweise wird ausführlich innerhalb der ersten Kapitel vorgestellt. Den evolutionären Methoden wird eine effiziente Geometriedefinition aerodynamischer Konfigurationen zur Seite gestellt. Diese stützt sich ausschließlich auf analytisch definierte Kurven und Formen. Dadurch kann der Parameterraum klein gehalten und für die evlutionären Optimierungsmethoden nutzbar gemacht werde! n. Bewußt wird hier auf Studien zur Steigerung der evolutionären Konvergenzgeschwindigkeit verzichtet. Der Verlauf der optimierten Geometriparameter entlang einer Paretofront gibt wichtige Hinweise auf die grundsätzlich benötigte Gestaltungfreiheit von Konfigurationen im Bereich optimaler aerodynamischer Effizienz. Somit kann die Arbeit mit genetischen Algorithmen wesentlich zur Erweiterung der praktischen Wissensbasis beitragen. In dieser Arbeit wird eine einzige Zahl, das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand (L/D), optimiert. Bei Strömungsrechungen mit dem Euler-Verfahren wird nur der reibungsfreie (induzierter und Wellen-) Widerstand berücksichtigt. In verfeinerten Untersuchungen unter Nutzung von Navier-Stokes-Verfahren wird zusätzlich auch der Reibungsanteil des Widerstandes minimiert. Die durchgeführten Untersuchungen beziehen sich auf Profile und Tragflügel für Unter- und Überschallströmungen. In zukünfitgen Arbeiten legt es die aerodynamsiche Wissensbasis nahe, auch den Verlauf der Druckverteilungen entlang von Profilen und Flügelschnitten vorzuschreiben, um günstige Resultate für die Reibungseinflüsse zu erhalten. Diese inverse Komponenten der Optimierung (weitgehende Vorgabe des Resultates der Umströmung und Auffinden einer mit dieser Strömung kompatiblen Geometrie) bildet eine attraktive Erweiterung des Anwendungsbereichs der hier vorgestellten Rechnungen mit genetischen Algorithmen. Die Optimierung mit Hilfe evolutionärer Methoden ist sehr rechenintensiv. Aus diesem Grunde verbreitert sich das Anwendungsspektrum dieser Methoden parallel zu Rechnerentwicklung. Da die Computertechnologie innerhalb kürzester Zeit enorme Fortschritte macht, ist mit einer verstärkten Anwendung auch innerhalb der Strömungsmechnik in absehbarer Zeit zu rechnen

KREMLAS: Entwicklung einer kreativen evolutionären Entwurfsmethode für Layoutprobleme in Architektur und Städtebau

Die im vorliegenden Buch dokumentierten Untersuchungen befassen sich mit der Entwicklung von Methoden zur algorithmischen Lösung von Layoutaufgaben im architektonischen Kontext. Layout bezeichnet hier die gestalterisch und funktional sinnvolle Anordnung räumlicher Elemente, z.B. von Parzellen, Gebäuden, Räumen auf bestimmten Maßstabsebenen. Die vorliegenden Untersuchungen sind im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsprojekts entstanden

Auswahl und optimale Auslegung industrieller Bauteilreinigungsanlagen

In der vorliegenden Arbeit wird ein Weg zur rechnerunterstützen Auswahl und optimalen Auslegung von Bauteilreinigungsanlagen vorgestellt. In der industriellen Bauteilreinigung suchen Anwender oft Lösungen für ihre Reinigungsprobleme, welche immer einen technischen und einen wirtschaftlichen Aspekt besitzen: Die Bauteile sollten so sauber wie nötig und dabei so kostengünstig wie möglich gereinigt werden.Zur Unterstützung der Auswahl geeigneter Reinigungsanlagen wird in der Arbeit eine internetbasierte Lösungsdatenbank entwickelt, in die Anbieter als Experten der Reinigungsbranche selber Reinigungsanlagen eintragen und bewerten können. Die Bewertung erfolgt nach technischen sowie nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Nach der Auswahl einer Anlage ist es Aufgabe des Anbieters, diese auf die möglichst wirtschaftliche Lösung des individuellen Reinigungsproblems hin optimal auszulegen. Dabei sind zahlreiche, oft gegenläufige Parameter zu berücksichtigen, so dass teuere und aufwändige Vorversuche unvermeidbar sind. Als Abhilfe wird in der vorliegenden Arbeit ein Simulationssystem für Bauteilreinigungsanlagen entwickelt. Dieses ermöglicht die Modellierung von Reinigungsprozessen am Rechner und berechnet das damit erzielbare Reinigungsergebnis sowie die anfallenden Reinigungskosten. Dabei wird zunächst exemplarisch die Tauchreinigung betrachtet. Der flexible und modulare Aufbau des Systems ermöglicht jedoch eine Erweiterung hinsichtlich anderer Reinigungstechnologien sowie die Aufnahme zukünftiger Forschungsergebnisse.Auf Basis des Simulationssystems wird dann ein automatisches Optimierverfahren vorgestellt, welches mit Evolutionären Algorithmen arbeitet. Dieses ermittelt am Simulationsmodell Anlagenparameter, welche zu einer besonders kostengünstigen und gleichzeitig technisch hinreichenden Reinigung der Bauteile führen