Polymorfní elektronika

Polymorfní elektronika je oblast elektroniky, zkoumající číslicové elektronické obvody, které dokážou plnit více než jednu funkci, přičemž jejich zapojení zůstává stále stejné a aktuálně prováděná funkce závisí na stavu okolního prostředí. Všechny funkce jsou do obvodu zabudovány úmyslně již při jeho návrhu, počítá se s nimi. Polymorfní obvody jsou ve srovnání s konvenčními vícefunkčními obvody rozměrově velmi úsporné. Změna funkce nastává přirozeně a okamžitě a detekce stavu prostředí je přímo vestavěna do obvodu. Typickým prostředím, ovlivňujícím funkci polymorfních obvodů, bývá napájecí napětí, teplota, intenzita osvětlení a podobně, tedy veličiny, které ovlivňují chování polovodičových tranzistorů. Koncept polymorfní elektroniky je v této práci zobecněn, není vázán pouze na komponenty sestavené z polovodičových unipolárních tranzistorů, i když současné aplikace na nich stojí. Mezi základní problémy, komplikující rozvoj polymorfní elektroniky, patří: návrh polymorfních obvodů, hledání vhodných základních stavebních bloků (hradel) a identifikace oblastí aplikace, kde polymorfní elektronika přinese výhodu a pokrok oproti známým řešením. V této práci lze nalézt řešení všech těchto základních problémů. Obsahuje popis téměř všech dnes existujících polymorfních hradel a jejich hodnocení. Dále jsou představeny a diskutovány známé metody syntézy polymorfních obvodů. Řada obvodů byla navržena evolučními technikami, zejména metodou Kartézského genetického programování. Byly ale navrženy i neevoluční (konvenční) metody syntézy. V práci je popsána i řada aplikací. Většina aplikací byla realizována a ověřena buď simulačně, nebo přímo fyzickou realizací. Obecně lze polymorfní obvody nasadit v aplikacích, kde se předpokládá adaptace obvodu na měnící se podmínky nebo rychlá a elegantní rekonfigurace. Toho lze využít v obvodech, které se samy přizpůsobí nepříznivým podmínkám - omezí svoji spotřebu, tepelné vyzařování, při zachování alespoň nezbytné základní činnosti. Prosadit se však mohou i tam, kde se předpokládá obvod sice monofunkční, ale s nějakou přidanou vlastností. Tato přidaná vlastnost přitom může být využívána jen zřídka, ale díky typické vlastnosti polymorfních obvodů - kompaktní a prostorově velmi nenáročné konstrukci - může být získána za velmi příznivou cenu. Může to být v oblasti vestavěné diagnostiky, bezpečnosti a podobně. Principů polymorfní elektroniky lze využít nejen u kombinačních, ale i u sekvenčních číslicových obvodů. V práci je ukázáno, jak lze využít vlastností polymorfních obvodů pro návrh bezpečných adaptivních obvodových řadičů. Pro reálné experimenty s polymorfními obvody byl navržen a vyroben první rekonfigurovatelný polymorfní obvod na světě. Text práce a zejména autorem provedené definice a tvrzení odráží kromě očekávaného zobecňujícího a vědeckého přístupu také praktickou zkušenost, kterou autor za léta práce s polymorfními obvody získal.

Polymorphic electronics is a new domain of electronics comprising digital circuits, which are able to perform more than one function. Polymorphic circuits typically have one stable structure for all functions and actually performed function depends on an environment. All functions of the circuit are designed intentionally. Polymorphic circuits are very area efficient in comparison to conventional multi-function circuits. Change of the circuit function comes immediately (with no delay) and sensitivity to the environment is embedded to the circuit. Typically, power supply voltage, temperature or a special signal serves as the environment which determines the function of the circuit, i.e. physical quantities that affect behaviour and parameters of semiconductors. But the concept of polymorphic electronics is generalised in this thesis, although todays applications are based on unipolar semiconductor transistors. There are three basic problems of polymorphic electronics: design methods for polymorphic circuits, lack of suitable polymorphic components (gates) and identification of appropriate application areas. In this thesis, several possible solutions of all three main problems of polymorphic electronics are described. The thesis contains description and evaluation of almost all existing polymorphic gates. Also known methods of polymorphic circuits synthesis are introduced and discussed. Lot of polymorphic circuits were designed using evolutionary design methods, especially using Cartesian Genetic Programming. But also non-evolutionary (conventional) design methods were proposed. A range of applications is described in the thesis. Majority of them were implemented and verified by physical realisation. Generally, polymorphic circuits can be used in applications that assume adaptation of the circuit to variable environment or smart and fast reconfiguration. Such behaviour is useful for circuits that must adapt itself to unfriendly environment e.g. by restriction of power consumption or heat dissipation with preservation of necessary basic functionality. Polymorphic electronics is profitable also in applications that are basically mono-functional, but need some additional feature. The additional feature may be used rarely, but due to typical area effectiveness of polymorphic circuits, the additional feature is keenly priced. This is attractive e.g. for embedded diagnostics, security applications etc. Principles of polymorphic electronics are useful for both combinational and sequential circuits. It is shown in the thesis how to utilise polymorphic electronics for design of safe adaptive circuit controllers. For real experiments, the first reconfigurable polymorphic chip in the world was designed and manufactured. The text of the thesis, and namely definitions and assertions stated in the thesis done by the author, reflects also practical experiences acquired during years of work with polymorphic electronics.