Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /60 Développement de la cellule DMUXTREE méthodes de synthèse - réalisation finale Pierre Marchal Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique SA

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

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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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 ( ). Historique (1)

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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.

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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).

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /60 Résultats des calculs (1) Anisotropesarbre canonique fonction testmajoritéadditionneur triangles carrés hexagones h hexagones v octogones

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /60 Résultats des calculs (2) Isotropes arbre canonique fonction testmajoritéadditionneur triangles carrés hexagones octogones Anisotropes hexagones octogones

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

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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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

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

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

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

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

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

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

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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /60 Cellule DMUX2 (solution : format table). cross dir isolW isolN VV VV VV VV V VV VV VV N N N N N N N N WWWW W W WW V = =

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

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

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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /60 Cellule DMUXTREE3

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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /60 DMUXTREE

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

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

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

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

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

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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /60 Compteur/décompteur par 4 (Génome)

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /60 Compteur/décompteur par 4 (DMUX3) Q Q0 01 M ¬Q0 M 1 Q Q1 0

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /60 Compteur/décompteur par 4 (DMUX3) Q0+ Q

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

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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /60 Compteur/décompteur par 4 (Génome) C F F

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /60 Part VI: Conclusion

Systèmes et programmation génétiques/ PMa / /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