常小龍，趙國亮，武翠霞，滿夢華

（1.軍械工程學(xué)院 靜電與電磁防護(hù)研究所，河北 石家莊 050003；2.中國航天科工集團(tuán)第二研究院706所，北京 100854）

0 引 言

隨著雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等各種電磁輻射源的功率不斷加大和頻譜增寬，電子系統(tǒng)在有限的空間范圍內(nèi)面臨著更加復(fù)雜和惡劣的電磁環(huán)境［1］。電子系統(tǒng)受到電磁干擾可能無法工作甚至局部損毀，這勢必造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。迄今為止，國內(nèi)外電磁防護(hù)主要方法仍然是濾波、屏蔽、防護(hù)器件等傳統(tǒng)防護(hù)方式。傳統(tǒng)防護(hù)方法能夠為電子系統(tǒng)提供保護(hù)，但是存在局限性。美國密蘇里科技大學(xué)的David團(tuán)隊專門研究了靜電放電ESD（ElectroStatic discharge）對各種IC器件的影響，ESD 保護(hù)電路雖然能在一定程度上保護(hù)電路不受靜電損傷，但是ESD 引起的干擾依然可以引入到芯片內(nèi)部導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生故障［2－3］。在航天、通信尤其是涉及國防安全的領(lǐng)域，由于電磁兼容問題帶來的電子系統(tǒng)故障危害性極大。電磁防護(hù)仿生研究的目的是從生物系統(tǒng)中汲取靈感，設(shè)計具有自組織、自適應(yīng)、自修復(fù)能力的電子系統(tǒng)，提高電子系統(tǒng)自身在電磁干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性［4－5］。

1 電磁防護(hù)仿生研究內(nèi)容

自然界是人類知識的寶庫，智慧的源泉。仿生科學(xué)是科技創(chuàng)新的重要動力之一，它通過研究生物的結(jié)構(gòu)、性狀、原理、行為等，為工程技術(shù)提供新的設(shè)計思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)［6］。電磁防護(hù)仿生研究利用仿生技術(shù)，使得電子系統(tǒng)像生物一樣具有“自組織、自適應(yīng)、自修復(fù)”功能，從而使得電子系統(tǒng)能夠適應(yīng)外部電磁干擾環(huán)境的變化；當(dāng)電子系統(tǒng)受到干擾產(chǎn)生故障時，系統(tǒng)仍能容錯運行或者及時從故障中自動恢復(fù)。

根據(jù)電磁防護(hù)仿生研究的目標(biāo)，需要從三個方面開展電磁防護(hù)仿生研究工作：

（1）電磁防護(hù)仿生原理研究

電子工程設(shè)計的電路系統(tǒng)在電磁干擾環(huán)境總是暴露出各式各樣的缺點和不足，但是生物經(jīng)過35 億年的不斷進(jìn)化，能夠很好適應(yīng)多變的外部環(huán)境。因此，以生物進(jìn)化論為基礎(chǔ)的演化硬件相關(guān)理論為設(shè)計具有自適應(yīng)能力電子系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。演化硬件實際上是演化計算和重配置硬件的集合［7］。演化計算對生物進(jìn)化過程的模擬，通過對電路種群的選擇、交叉和變異，不斷改變重配置硬件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使得電子系統(tǒng)能夠適應(yīng)當(dāng)前的環(huán)境變化。生物進(jìn)化的另一個結(jié)果就是產(chǎn)生了十分精巧的結(jié)構(gòu)、機制。這些結(jié)構(gòu)和機制具有很好的魯棒性，是生物一段時間內(nèi)適應(yīng)環(huán)境的基礎(chǔ)，同樣是電磁防護(hù)仿生研究不能忽略的部分。

因此，通過對生物進(jìn)化機制和生物某些結(jié)構(gòu)、機制的魯棒性進(jìn)行深入研究，設(shè)計可進(jìn)化的、可靠的電子系統(tǒng)，有望為電磁防護(hù)仿生研究提供理論依據(jù)，并進(jìn)一步形成電磁防護(hù)仿生的基本原理。

（2）電磁防護(hù)仿生模型研究

電磁防護(hù)仿生研究需要解決防護(hù)原理的“領(lǐng)域轉(zhuǎn)換”的問題。即把生物維持系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性的基本結(jié)構(gòu)、機制、原理映射到電子系統(tǒng)設(shè)計之中。電磁防護(hù)仿生模型是實現(xiàn)領(lǐng)域轉(zhuǎn)換的橋梁。仿生模型可以用數(shù)學(xué)方法描述仿生防護(hù)原理，或是用算法描述生物運行機制，或是用電路模型直接構(gòu)建生物的基本結(jié)構(gòu)。

目前，電磁防護(hù)仿生研究至少應(yīng)從兩個方面進(jìn)行建模。一方面，模擬生物進(jìn)化過程建立高效的演化計算算法，同時構(gòu)建重配置電路模型。演化算法和重配置電路模型能夠讓電子系統(tǒng)靈活改變目標(biāo)電路的結(jié)構(gòu)，通過進(jìn)化方式適應(yīng)電磁環(huán)境變化。另一方面，模擬生物某些器官結(jié)構(gòu)和信息處理機制建立數(shù)學(xué)模型或者電路模型，利用建立的電路模型直接設(shè)計電子系統(tǒng)使其具有優(yōu)良的可靠性和穩(wěn)定性。

（3）電磁防護(hù)仿生電子系統(tǒng)

電磁防護(hù)仿生研究的目的是為了提高電子系統(tǒng)在電磁干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。因此，電磁防護(hù)仿生技術(shù)研究最終要把電磁防護(hù)仿生原理映射到電子系統(tǒng)的設(shè)計之中，提高電子系統(tǒng)在電磁干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。隨著現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（field programmable gate array）、現(xiàn)場可編程晶體管陣列FPTA（field programmable transistor array）［8］以及現(xiàn)場可編程模擬陣列（field pro－grammable analog array）［9］等可編程芯片的發(fā)展，設(shè)計可進(jìn)化的電子系統(tǒng)成為可能。和生物進(jìn)化的概念類似，這些可進(jìn)化的硬件能夠在復(fù)雜多變的外部環(huán)境下不斷進(jìn)化、優(yōu)化自身結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到適應(yīng)環(huán)境的目的。

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、單電子器件、量子器件和生物芯片的進(jìn)步和研制，從結(jié)構(gòu)上模擬生物優(yōu)良的特性也不再是遙不可及的事?？茖W(xué)家通過對生物神經(jīng)系統(tǒng)深入研究，建立了很多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。而且研究人員致力于用硬件電路模擬生物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并期望硬件電路能夠獲得生物神經(jīng)系統(tǒng)的優(yōu)良特性［10－11］。

2 電磁防護(hù)仿生研究主要成果

目前，電磁防護(hù)仿生研究取得的成果主要包括三個方面：

（1）開辟了電磁防護(hù)仿生研究新領(lǐng)域

明確了電磁防護(hù)仿生研究的內(nèi)涵。即通過研究生物系統(tǒng)運行機理建立仿生模型，采用全新的思路、方法和技術(shù)深入進(jìn)行電磁干擾、防護(hù)等方面的理論研究，對傳統(tǒng)的抗擾方式進(jìn)行強化、補充與完善，從而構(gòu)造出適于復(fù)雜多變電磁環(huán)境的電子系統(tǒng)。

對仿生研究進(jìn)行詳細(xì)分類，形成仿生坐標(biāo)，并對電磁防護(hù)仿生研究進(jìn)行準(zhǔn)確定位。在工程實現(xiàn)級別上對仿生進(jìn)行了分類，依次為表象級、行為級和分子級。表象級主要是對生物的形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生；行為級主要是對生物的本能、智能等功能進(jìn)行仿生；分子級是從材料的角度進(jìn)行仿生。三個仿生級別層層遞進(jìn)難度也逐漸增加。電磁防護(hù)仿生研究的目標(biāo)是設(shè)計自組織、自適應(yīng)和自修復(fù)功能的仿生電子系統(tǒng)，適應(yīng)復(fù)雜電磁干擾環(huán)境。因此，電磁防護(hù)仿生研究應(yīng)屬于行為級仿生，包括對生物的結(jié)構(gòu)、運行機制和功能的仿生。

確立了以演化硬件EHW（evolvable hardware）技術(shù)為基礎(chǔ)的電磁防護(hù)仿生技術(shù)研究。演化硬件技術(shù)使得電子系統(tǒng)像生物一樣能根據(jù)外部環(huán)境的不同或變化而自主地、動態(tài)地改變自身結(jié)構(gòu)或功能以適應(yīng)其外部環(huán)境的硬件電路［12］。生物通過自然選擇不斷進(jìn)化，生物體通過交叉、變異產(chǎn)生各種基因，在優(yōu)勝劣汰的機制下逐漸形成適應(yīng)能力強的優(yōu)秀個體。生物進(jìn)化基本理論是演化硬件的理論基礎(chǔ)，演化硬件技術(shù)發(fā)展的一個十分重要的方向就是模擬生物進(jìn)化過程設(shè)計高效的演化算法。因此，生物進(jìn)化基本理論是電磁防護(hù)仿生技術(shù)的理論基礎(chǔ)之一；演化硬件技術(shù)則是電磁防護(hù)仿生的技術(shù)途徑之一；而利用演化硬件技術(shù)設(shè)計自適應(yīng)和自修復(fù)功能的電子系統(tǒng)，是電磁干擾環(huán)境下防護(hù)仿生研究的重要目標(biāo)之一。

（2）開展了典型可編程器件的電磁損傷效應(yīng)研究

FPGA 等可編程芯片，是演化硬件的主要實現(xiàn)載體。通過對FPGA 等可編程芯片的電磁損傷效應(yīng)實驗研究，獲得靜電放電或電磁干擾引起FPGA 管腳損傷的敏感閾值［13］。實驗對ALTERA 公司的EP2C5型號FPGA 芯片進(jìn)行測試，結(jié)果表明FPGA 輸入管腳靜電放電電壓大于3.6KV 時產(chǎn)生損傷，而輸出管腳在4.7KV 時產(chǎn)生損傷。實驗中還發(fā)現(xiàn)靜電放電引起的管腳損傷模式通常是對地短路，輸出管腳電平固定為0，據(jù)此建立了靜電放電引起電路故障模型和故障仿真模型，為電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計提供實驗依據(jù)，并為演化自修復(fù)算法的性能分析提供了故障仿真模型。

（3）根據(jù)電磁防護(hù)仿生研究目標(biāo)進(jìn)行電磁防護(hù)仿生電子系統(tǒng)設(shè)計

給出了建立電子系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)模型的方法［14］。電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行分析，將其分解為系統(tǒng)功能模塊和連接結(jié)構(gòu)模塊兩大部分，構(gòu)建了電子系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)模型。將電子系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)映射為一種稀疏矩陣，從而將電子系統(tǒng)的設(shè)計、故障監(jiān)測、故障修復(fù)等問題轉(zhuǎn)化為特定功能模塊下帶參數(shù)的矩陣求解與優(yōu)化問題，為電子系統(tǒng)中生物特性的引入提供方法和思路。

建立了靜電放電注入損傷防護(hù)模型［13］。設(shè)計了具有冗余機制和結(jié)構(gòu)自組織功能的虛擬細(xì)胞模型，利用遺傳算法實現(xiàn)故障自修復(fù)的功能。虛擬細(xì)胞模型的細(xì)胞質(zhì)對應(yīng)于動態(tài)重配置電路模型，而虛擬細(xì)胞核由一個嵌入式微處理器構(gòu)成，里面運行的是故障診斷算法和演化算法，實現(xiàn)對虛擬細(xì)胞質(zhì)的配置和故障監(jiān)控。該模型提高了電路抵抗ESD干擾的能力。為了實現(xiàn)電子系統(tǒng)功能自修復(fù)，基于FPGA設(shè)計了虛擬可重構(gòu)電路演化平臺［15］。對重配置電路模型可編程單元進(jìn)行深入分析，分析重配置電路模型中可編程單元結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)演化修復(fù)的影響，并提出了利用關(guān)鍵函數(shù)優(yōu)化重配置電路模型的方法［16］，提高電路演化生成速率。

結(jié)合三模冗余技術(shù)和演化硬件技術(shù)，提出了一種三模冗余演化自修復(fù)系統(tǒng)［17］。三模冗余系統(tǒng)能夠提高電子系統(tǒng)的容錯能力。引入演化修復(fù)技術(shù)后，其中一個模塊出現(xiàn)故障或者損傷時，三個模塊兩兩校驗，確定故障模塊進(jìn)行修復(fù)。因此，三模冗余演化自修復(fù)技術(shù)進(jìn)一步提高了電子系統(tǒng)的可靠性。

電磁防護(hù)仿生技術(shù)研究經(jīng)歷了概念形成的階段，目前在基礎(chǔ)實驗和電子系統(tǒng)設(shè)計兩個方向取得了一些初步成果。電磁防護(hù)仿生技術(shù)研究最終要形成電磁防護(hù)仿生原理，并運用于電子系統(tǒng)設(shè)計之中，從而提高電子系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性。目前的工作與電磁防護(hù)仿生研究的目標(biāo)相比，還有很長一段距離。電磁防護(hù)仿生是電磁學(xué)、電子學(xué)和生物學(xué)構(gòu)成的一門綜合性較強的學(xué)科，因此需要多個領(lǐng)域的研究人員配合研究。尤其需要加強生物系統(tǒng)在各種干擾環(huán)境下穩(wěn)定、可靠運行的機理研究，以期為電磁防護(hù)仿生技術(shù)研究提供理論基礎(chǔ)。同時，這也是電磁防護(hù)仿生研究亟待解決的問題。

3 電磁防護(hù)仿生研究新思路

經(jīng)過漫長的自然進(jìn)化，生物產(chǎn)生了十分精良的結(jié)構(gòu)和機制來適應(yīng)環(huán)境。作為自然界最復(fù)雜的控制和信息處理系統(tǒng)，生物的神經(jīng)系統(tǒng)具有很強的自適應(yīng)能力和容錯能力［18］。每天都有大量的神經(jīng)細(xì)胞死亡，但并不影響神經(jīng)系統(tǒng)的功能，而計算機中一個微小的錯誤都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。腦是生物的控制和信息處理中心，其在各種干擾環(huán)境下信息處理表現(xiàn)出良好的魯棒性。局部細(xì)胞的死亡不會太大程度上影響腦區(qū)的功能，腦功能會退化但不存在功能喪失的臨界點。生物神經(jīng)系統(tǒng)具有較高的可靠性，其內(nèi)在的信息處理機制將是電磁防護(hù)仿生研究一個十分重要的對象。

3.1 生物神經(jīng)信息處理方式

神經(jīng)系統(tǒng)與電子系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和信息處理方式上有著本質(zhì)的不同，電子系統(tǒng)，尤其是數(shù)字電路系統(tǒng)，通常采用串行計算的方式，不同模塊之間也通常存在主從關(guān)系。在這樣的電子系統(tǒng)中任何一個小的干擾都有可能引起嚴(yán)重的后果，某個電路模塊的損傷可能造成系統(tǒng)的崩潰。而生物神經(jīng)系統(tǒng)是一個并行分布處理系統(tǒng)，不存在單個神經(jīng)元，對信息處理是必不可少的。信息存儲在神經(jīng)元連接強度分布上。信息的處理和傳輸都是由神經(jīng)元通過復(fù)雜的連接方式相互協(xié)調(diào)共同完成。不難理解，神經(jīng)系統(tǒng)的這種分布并行處理信息的方式必然具有很高的可靠性。

3.2 生物神經(jīng)信息編碼

理解神經(jīng)元和神經(jīng)系統(tǒng)如何對外界信息進(jìn)行編碼是神經(jīng)科學(xué)研究的基本問題。深入研究神經(jīng)信息編碼，更有助于模仿生物神經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計抗干擾能力和容錯能力較強的電路。早在上個世紀(jì)30年代，Adrian就對神經(jīng)編碼進(jìn)行了研究。此后人們普遍接受了神經(jīng)元頻率編碼的概念［19］，神經(jīng)元能夠把來自樹突的刺激進(jìn)行整合進(jìn)而發(fā)放一定頻率的脈沖串。隨著研究技術(shù)手段進(jìn)步人們對神經(jīng)信息編碼認(rèn)識不斷深入。神經(jīng)系統(tǒng)對信息進(jìn)行編碼的過程十分復(fù)雜，信息傳遞和加工過程中絕非單個細(xì)胞獨立編碼，而是通過一組神經(jīng)元構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編碼，也稱為群體編碼［20］。群體編碼大大提高了信息系統(tǒng)的可靠性，單個神經(jīng)元的損傷不會對信息編碼產(chǎn)生太大的影響［21］。生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對信息的群體編碼行為，不僅僅是資源的冗余，而是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中每個神經(jīng)元共同作用、相互協(xié)同的結(jié)果。

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模集成電路實現(xiàn)

早期人們建立生物神經(jīng)元模型后，往往利用相應(yīng)的模型發(fā)展成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后用算法實現(xiàn)解決現(xiàn)實世界的問題。但是算法實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無法模擬真實生物神經(jīng)系統(tǒng)并行處理信息這一特性，更無法模擬生物的電氣特性。用電路實現(xiàn)生物神經(jīng)元以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前研究的熱點。特別是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，在一個芯片上能夠集成大量的神經(jīng)元電路［22］，這使得科學(xué)家可以更加真實地模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)處理信息的基本單位，科學(xué)家一直嘗試建立神經(jīng)元模型，研究神經(jīng)元和神經(jīng)系統(tǒng)的特性。1907年Lapicque提出了神經(jīng)元的最初模型—積分發(fā)放模型（integrate and fire model，IF Model），IF模型是一種簡單的電路模型，但它具有了生物神經(jīng)元脈沖發(fā)放，不應(yīng)期等重要特性［23］。1952年Hodgkin和Huxley通過對哺乳動物視覺皮層的深入研究，提出了H－H模型（hodgkin－h(huán)uxley model），第一次用數(shù)學(xué)模型精確地描述了細(xì)胞膜的動態(tài)特性［24］。1990年Eckhorn提出了一種貓的視覺皮層模型，根據(jù)貓的大腦皮層同步脈沖發(fā)放現(xiàn)象提出了展示脈沖發(fā)放現(xiàn)象的連接模型，后來由演變成脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（pulse coupled neural network，PCNN）［25］。2003年蘇黎世大學(xué)Giacomo提出了一種低功耗IF電路模型，該模型能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖頻率自適應(yīng)機制［26］。2009年Wijekoon等人基于CMOS技術(shù)提出了一種新的脈沖神經(jīng)元電路模型，該模型比簡單的IF模型實現(xiàn)的脈沖發(fā)放模式要豐富的多［27］。2011年中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所韓偉華等結(jié)合IF模型和PCNN模型提出了一種非常適宜大規(guī)模集成電路實現(xiàn)的脈沖耦合神經(jīng)元電路模型［28－29］。該模型很好地擬合了真實神經(jīng)元的點火、脈沖發(fā)放、不應(yīng)期、存儲等動態(tài)特性，大大簡化了電路結(jié)構(gòu)。神經(jīng)元電路以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，能夠高效快速地模擬和分析神經(jīng)系統(tǒng)信息處理機制，是把電磁防護(hù)仿生原理轉(zhuǎn)換為電子系統(tǒng)設(shè)計的有力技術(shù)途徑。

綜上，深入理解和研究生物神經(jīng)系統(tǒng)信息處理機理，設(shè)計適應(yīng)電磁干擾環(huán)境的電子系統(tǒng)，將是電磁仿防護(hù)生技術(shù)研究不可或缺的方向。探尋生物神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的基本原理，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用大規(guī)模集成電路技術(shù)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路模擬神經(jīng)系統(tǒng)信息處理，進(jìn)而提高電磁干擾環(huán)境下電子系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)束語

電磁防護(hù)仿生研究作為一個新的科學(xué)研究領(lǐng)域，確立仿生研究對象十分關(guān)鍵，是能否取得研究成果的關(guān)鍵所在。生物的進(jìn)化機制是一種優(yōu)秀的適應(yīng)環(huán)境的機制。利用演化硬件技術(shù)使電子系統(tǒng)具有進(jìn)化能力，進(jìn)而適應(yīng)電磁干擾環(huán)境變化，是電磁防護(hù)仿生研究的重要目標(biāo)。

同時，研究神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠運行機理，可望成為電磁防護(hù)仿生的重要理論基礎(chǔ)。生物的神經(jīng)系統(tǒng)作為生命體的控制核心，具有很高的可靠性和容錯能力。神經(jīng)系統(tǒng)編碼和處理信息的方式與傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)有著本質(zhì)的不同。深入研究神經(jīng)元以及神經(jīng)系統(tǒng)工作機理，并根據(jù)具體的工程應(yīng)用背景設(shè)計具有故障容錯能力的神經(jīng)元電路和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路，實現(xiàn)電磁干擾環(huán)境下可靠地系統(tǒng)控制和信息處理，是未來進(jìn)行電磁防護(hù)仿生技術(shù)研究的重要方向。

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