Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 1/60 Développement de la cellule DMUXTREE méthodes de synthèse - réalisation finale Pierre Marchal.

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1 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 1/60 Développement de la cellule DMUXTREE méthodes de synthèse - réalisation finale Pierre Marchal Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique SA Pierre.marchal@csem.ch

2 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 2/60 Sommaire Introduction Synthèse logique sur pavage cellulaire Réalisation de la cellule Exemples, Exercices Détection de pannes et réparation Conclusion

3 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 3/60 Part I: Introduction 1.Historique 2.Cellule vivante 3.Besoins et problématique

4 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 4/60 fin XVIème siècle (Hollande): utilisation d’un tube équipé d’une lentille à chaque extrémité pour observer les astres XVIIème siècle: utilisation du même genre d’instrument pour observer la nature et les êtres vivants en particulier le hollandais Antoni van Leeuwenhoek est parmi les plus prestigieux micrographes du XVIIème siècle ( http://www.euronet.nl/users/warnar/leeuwenhoek.html ). Historique (1)

5 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 5/60 Historique (2) en 1665, l’anglais Robert Hooke introduit le mot cellule pour désigner les petites structures aperçues en examinant une fine lamelle de liège au microscope. Leeuwenhoek est le premier à rapporter l’existence de cellules chez les animaux en 1820, le microscope achromatique permet d’étudier la structure fine des tissus organiques. en 1839, une étape majeure est franchie: l’établissement de la théorie cellulaire

6 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 6/60 La cellule vivante (1) êtres vivants caractérisés par une hiérarchie d’organisations complexes : molécules, structures submicroscopiques, organites, cellules, tissus, organes. cellule est située à un niveau essentiel : c’est la plus petite portion de matière vivante qui puisse vivre isolée de manière complète, et, notamment se reproduire. les niveaux inférieurs à la cellule sont identiques chez des espèces très différentes; au contraire, l’organisation des tissus et l’anatomie des individus sont très diversifiées selon les espèces

7 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 7/60 Propriétés du vivant (1) individualisation : êtres délimités par une membrane formant des unités vivantes autonomes. nutrition : se maintiennent en vie en absorbant ou en fabriquant les aliments dont ils ont besoin. respiration-fermentation : ils transforment, par réactions de combustion lente, l’énergie des aliments en énergie disponible. reproduction : peuvent fournir des copies exactes d’eux- mêmes.

8 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 8/60 Propriétés du vivant (2) évolution : peuvent fournir des copies modifiées (croisement ou mutation) d’eux-mêmes. mouvement : déplacement coordonné à l’aide de cil ou flagelle. mort : la propriété du vivant n’est pas immuable, (formol).

9 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 9/60 Besoins et problématique Synthèse de systèmes logiques sur des pavages cellulaires (simplicité, reproductibilité) dotés des propriétés du vivants : –développement autonome (auto-structuration) –entretien explicitement autonome (auto-réparation) –capable de reproduction et d’évolution (auto-reproduction) Description des “organites” qui composent la cellule pour le moindre prix

10 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 10/60 Part II: Synthèse logique sur pavage cellulaire Triangle Carré Hexagone

11 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 11/60 Pavage du plan (espace cellulaire) Pavages réguliers : Trois polygones convexes permettent un pavage sans trous –triangle –carré –hexagone

12 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 12/60 Pavage du plan (espace cellulaire) Pavages irréguliers : il en existe beaucoup, 1 permet de simplifier le voisinage –octogone - losange

13 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 13/60 Arbres de Décision Binaire et Espaces Cellulaires (1) Arbres symétriques sur structures cellulaires

14 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 14/60 Arbres de Décision Binaire et Espaces Cellulaires (2) Arbres asymétriques sur structures cellulaires

15 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 15/60 Arbres de Décision Binaire et Espaces Cellulaires (3) Arbres symétriques avec test & affectation

16 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 16/60 Arbres de Décision Binaire et Espaces Cellulaires (3) Arbres asymétriques avec test & affectation

17 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 17/60 Diagrammes de Décision Binaire et Espaces Cellulaires (1) Reconvergence symétrique

18 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 18/60 Diagrammes de Décision Binaire et Espaces Cellulaires (2) Reconvergence asymétrique

19 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 19/60 Diagrammes de Décision Binaire et Espaces Cellulaires (3) Reconvergence par croisement des branches

20 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 20/60 Diagrammes de Décision Binaire et Espaces Cellulaires (4) Reconvergence double croisement des branches

21 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 21/60 Résultats des calculs (1) Anisotropesarbre canonique fonction testmajoritéadditionneur triangles 60 + 4834+3315+1410+8 carrés 65411813 hexagones h 42261310 hexagones v 64341510 octogones 4934159

22 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 22/60 Résultats des calculs (2) Isotropes arbre canonique fonction testmajoritéadditionneur triangles 40672918 carrés 39411813 hexagones 3126159 octogones 3126159 Anisotropes 4934159 hexagones 3727127 octogones 181675

23 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 23/60 Part III: Réalisation de la cellule DMUX - la préhistoire DMUX2 - l’époque contemporaine DMUX3 - la nouvelle génération

24 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 24/60 MUX et DMUX - Rappel Convergence - Divergence

25 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 25/60 Cellule DMUX1 Réalisation du DMUX à l’aide de portes logiques Remarque 1 : plus gros version MUX Remarque 2 : longueur des chemins Remarque 3 : consommation

26 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 26/60 Cellule DMUX2 (Réalisation conventionnelle)

27 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 27/60 Cellule DMUX2 (Bloc de test) A 0 1 0 1 A 0 1 A 10 dir ¬ A 0 1

28 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 28/60 Cellule DMUX2 (Bloc de connexion et croisement) 0 1 1 0 1 0 1 0 cross dir 1 0

29 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 29/60 Cellule DMUX2 (Bloc de mémoire)

30 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 30/60 Cellule DMUX2 (Bloc de sortie)

31 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 31/60 Cellule DMUX2 (Membrane d’isolation)

32 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 32/60 Exercice 1: DMUX2 format table

33 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 33/60 Cellule DMUX2 (solution : format table). cross dir isolW isolN 0 1 0 1 0 1 VV VV VV VV V VV VV VV N N N N N N N N 1 1 1 1 1 1 1 1 000 0000 WWWW W W WW 0 0 0 1 1 1 0 V = =

34 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 34/60 Cellule DMUX2 (Bloc connexions bus longue distance)

35 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 35/60 Cellule DMUX2 (interconnexions à grande distances)

36 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 36/60 Cellule DMUX2 (Description du gène)

37 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 37/60 Exercice 2: mémoire DMUX2 Calculer de la taille mémoire pour un système autorisant des adresses locales sur 4 bits8 bits 15 bits par gènes 256 cellules 3’840 bits ~ 4 Kbit 15 bits par gènes 65’536 cellules 983’040 bits ~ 1 Mbit

38 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 38/60 Cellule DMUXTREE3

39 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 39/60 Cellule DMUX3 (Description du gène)

40 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 40/60 Exercice 3: mémoire DMUX3 Calculer de la taille mémoire pour un système autorisant des adresses locales sur 4 bits8 bits 41 bits par gènes 256 cellules 10’496 bits ~ 10.5 Kbit 41 bits par gènes 65’536 cellules 2’686’976 bits ~ 2.7 Mbit

41 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 41/60 DMUXTREE

42 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 42/60 Part IV: Exemples et exercices Compteur/décompteur par 4 DMUX2 – DMUX3

43 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 43/60 Compteur/décompteur par 4 (Réordonnancement )

44 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 44/60 Compteur/décompteur par 4 (Croisement) +

45 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 45/60 Compteur/décompteur par 4 (exercice)

46 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 46/60 Compteur/décompteur par 4 (macro-cellule)

47 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 47/60 Compteur/décompteur par 4 (interconnexion) M Q1 + Q0 + 0 Q0 D Q1 D 0

48 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 48/60 Compteur/décompteur par 4 (Génome) 0078 0250 0058 0336 0210 0400 0000 0018 0317 0536

49 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 49/60 Compteur/décompteur par 4 (DMUX3) 0 0 1 Q1 0 1 1 0 0 1 + Q0 01 M ¬Q0 M 1 Q0 + 11 0 0 0 1 Q1 0

50 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 50/60 Compteur/décompteur par 4 (DMUX3) Q0+ Q1+ 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

51 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 51/60 Compteur/décompteur par 4 (macro-cellule) Q0¬Q0 1 1 1 1 1 1        1 1 Q1 M M 1 1 1 1  0 0 0 0 Q0+ Q1+ 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

52 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 52/60 Compteur/décompteur par 4 (interconnexion) Q0+ Q1+ M

53 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 53/60 Compteur/décompteur par 4 (Génome) 00100001C8 0408200118 280800017F 14000001F8 0800000138 0800000188

54 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 54/60 Part V: Détection de pannes et réparation 1.Détecter les pannes 2.Réparer les pannes 3.Détecter ses propres pannes 4.Réparer ses propres pannes

55 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 55/60 Détecter les pannes Pour chaque type de pannes, déterminer des vecteurs de test Calculer les réponses attendues aux vecteurs de test Appliquer des vesteurs de test au système Vérifier point à point le fonctionnement Localiser le problème en cas d’erreur

56 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 56/60 Réparer les pannes Pour réparer, 3 étapes nécessaires : –Connectique 1 : Déconnecter les parties fautives –Fonctionnel : Disposer de matériel de remplacement Pour chaque type de fonction En quantité suffisante –Connectique 2 : Connecter les parties de remplacement

57 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 57/60 Détecter ses propres pannes TMR (Triple Modular Redundancy) –Trois copies calculent en parallèle –Un comparateur voteur Extension : nMR (idem sur n copies; n > 2) Opérateur Dual + Dual Rail Checker –Détecte les pannes de fabrication (technologie) –Opère pendant l’utilisation même –Nécessite une phase de test des Checkers

58 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 58/60 Réparer ses propres pannes Par l’intermédiaire de gènes spécifiques: –Autotest de la cellule (autotest du bloc de test) –Cellule en panne: Pannes masquées → cellule fonctionnelle Pannes non masquées → cellule transparente –Perturbations possibles: Verticalement → coupure colonne Horizontalement → coupure ligne Les deux simultanément → coupure ligne + colonne

59 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 59/60 Part VI: Conclusion

60 Systèmes et programmation génétiques/ PMa / 22.11.2004 - 60/60 Projet Embryonique Créer une technologie ayant les capacités: –Auto-structuration –Auto-détection des défauts –Auto-réparation des pannes –Auto-surveillance des paramètres physiques –Auto-adaptation aux paramètres physiques –Auto-surveillance des traitements –Auto-adaptation des traitements