Universalities in cellular automata; a (short) survey

This reading guide aims to provide the reader with an easy access to the study of universality in the field of cellular automata. To fulfill this goal, the approach taken here is organized in three parts: a detailled chronology of seminal papers, a discussion of the definition and main properties of universal cellular automata, and a broad bibliography

Designing complex dynamics in cellular automata with memory

Since their inception at Macy conferences in later 1940s, complex systems have remained the most controversial topic of interdisciplinary sciences. The term "complex system" is the most vague and liberally used scientific term. Using elementary cellular automata (ECA), and exploiting the CA classification, we demonstrate elusiveness of "complexity" by shifting space-time dynamics of the automata from simple to complex by enriching cells with memory. This way, we can transform any ECA class to another ECA class - without changing skeleton of cell-state transition function - and vice versa by just selecting a right kind of memory. A systematic analysis displays that memory helps "discover" hidden information and behavior on trivial - uniform, periodic, and nontrivial - chaotic, complex - dynamical systems. © World Scientific Publishing Company

Proceedings of AUTOMATA 2010: 16th International workshop on cellular automata and discrete complex systems

International audienceThese local proceedings hold the papers of two catgeories: (a) Short, non-reviewed papers (b) Full paper

Memristors for the Curious Outsiders

We present both an overview and a perspective of recent experimental advances and proposed new approaches to performing computation using memristors. A memristor is a 2-terminal passive component with a dynamic resistance depending on an internal parameter. We provide an brief historical introduction, as well as an overview over the physical mechanism that lead to memristive behavior. This review is meant to guide nonpractitioners in the field of memristive circuits and their connection to machine learning and neural computation.Comment: Perpective paper for MDPI Technologies; 43 page

Layered Cellular Automata

Layered Cellular Automata (LCA) extends the concept of traditional cellular automata (CA) to model complex systems and phenomena. In LCA, each cell's next state is determined by the interaction of two layers of computation, allowing for more dynamic and realistic simulations. This thesis explores the design, dynamics, and applications of LCA, with a focus on its potential in pattern recognition and classification. The research begins by introducing the limitations of traditional CA in capturing the complexity of real-world systems. It then presents the concept of LCA, where layer 0 corresponds to a predefined model, and layer 1 represents the proposed model with additional influence. The interlayer rules, denoted as f and g, enable interactions not only from adjacent neighboring cells but also from some far-away neighboring cells, capturing long-range dependencies. The thesis explores various LCA models, including those based on averaging, maximization, minimization, and modified ECA neighborhoods. Additionally, the implementation of LCA on the 2-D cellular automaton Game of Life is discussed, showcasing intriguing patterns and behaviors. Through extensive experiments, the dynamics of different LCA models are analyzed, revealing their sensitivity to rule changes and block size variations. Convergent LCAs, which converge to fixed points from any initial configuration, are identified and used to design a two-class pattern classifier. Comparative evaluations demonstrate the competitive performance of the LCA-based classifier against existing algorithms. Theoretical analysis of LCA properties contributes to a deeper understanding of its computational capabilities and behaviors. The research also suggests potential future directions, such as exploring advanced LCA models, higher-dimensional simulations, and hybrid approaches integrating LCA with other computational models.Comment: This thesis represents the culmination of my M.Tech research, conducted under the guidance of Dr. Sukanta Das, Associate Professor at the Department of Information Technology, Indian Institute of Engineering Science and Technology, Shibpur, West Bengal, India. arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:2210.13971 by other author

Proceedings of AUTOMATA 2011 : 17th International Workshop on Cellular Automata and Discrete Complex Systems

International audienceThe proceedings contain full (reviewed) papers and short (non reviewed) papers that were presented at the workshop

Programmation et indécidabilités dans les systèmes complexes

N/AUn système complexe est un système constitué d'un ensemble d'entités quiinteragissent localement, engendrant des comportements globaux, émergeant dusystème, qu'on ne sait pas expliquer à partir du comportement local, connu, desentités qui le constituent. Nos travaux ont pour objet de mieux cerner lesliens entre certaines propriétés des systèmes complexes et le calcul. Parcalcul, il faut entendre l'objet d'étude de l'informatique, c'est-à-dire ledéplacement et la combinaison d'informations. À l'aide d'outils issus del'informatique, l'algorithmique et la programmation dans les systèmes complexessont abordées selon trois points de vue. Une première forme de programmation,dite externe, consiste à développer l'algorithmique qui permet de simuler lessystèmes étudiés. Une seconde forme de programmation, dite interne, consiste àdévelopper l'algorithmique propre à ces systèmes, qui permet de construire desreprésentants de ces systèmes qui exhibent des comportements programmés. Enfin,une troisième forme de programmation, de réduction, consiste à plonger despropriétés calculatoires complexes dans les représentants de ces systèmes pourétablir des résultats d'indécidabilité -- indice d'une grande complexitécalculatoire qui participe à l'explication de la complexité émergente. Afin demener à bien cette étude, les systèmes complexes sont modélisés par desautomates cellulaires. Le modèle des automates cellulaires offre une dualitépertinente pour établir des liens entre complexité des propriétés globales etcalcul. En effet, un automate cellulaire peut être décrit à la fois comme unréseau d'automates, offrant un point de vue familier de l'informatique, etcomme un système dynamique discret, une fonction définie sur un espacetopologique, offrant un point de vue familier de l'étude des systèmesdynamiques discrets.Une première partie de nos travaux concerne l'étude de l'objet automatecellulaire proprement dit. L'observation expérimentale des automatescellulaires distingue, dans la littérature, deux formes de dynamiques complexesdominantes. Certains automates cellulaires présentent une dynamique danslaquelle émergent des structures simples, sortes de particules qui évoluentdans un domaine régulier, se rencontrent lors de brèves collisions, avant degénérer d'autres particules. Cette forme de complexité, dans laquelletransparaît une notion de quanta d'information localisée en interaction, estl'objet de nos études. Un premier champ de nos investigations est d'établir uneclassification algébrique, le groupage, qui tend à rendre compte de ce type decomportement. Cette classification met à jour un type d'automate cellulaireparticulier : les automates cellulaires intrinsèquement universels. Un automatecellulaire intrinsèquement universel est capable de simuler le comportement detout automate cellulaire. C'est l'objet de notre second champ d'investigation.Nous caractérisons cette propriété et démontrons son indécidabilité. Enfin, untroisième champ d'investigation concerne l'algorithmique des automatescellulaires à particules et collisions. Étant donné un ensemble de particuleset de collisions d'un tel automate cellulaire, nous étudions l'ensemble desinteractions possibles et proposons des outils pour une meilleure programmationinterne à l'aide de ces collisions.Une seconde partie de nos travaux concerne la programmation par réduction. Afinde démontrer l'indécidabilité de propriétés dynamiques des automatescellulaires, nous étudions d'une part les problèmes de pavage du plan par desjeux de tuiles finis et d'autre part les problèmes de mortalité et depériodicité dans les systèmes dynamiques discrets à fonction partielle. Cetteétude nous amène à considérer des objets qui possèdent la même dualité entredescription combinatoire et topologique que les automates cellulaires. Unenotion d'apériodicité joue un rôle central dans l'indécidabilité des propriétésde ces objets