Metabolinės P sistemos įgyvendinimo lauku programuojamomis loginėmis matricomis tyrimas

Abstract

Elektronikos ir gamtinių skaičiavimų, įskaitant ir metabolines P (MP) sistemas, sričių pažanga suteikia naujų galimybių spręsti esamas problemas, tačiau vis dar nėra sukurta MP sistemų įgyvendinimo būdų lauku programuojamose loginėse matricose (LPLM). Todėl disertacijoje sprendžiama žinių apie MP sistemos LPLM įgyvendinimo kokybę ir našių MP daugiasisteminių įgyvendinimo metodų trūkumo problema. Tyrimų objek- tas yra specializuota realiu laiku veikianti MP sistema įgyvendinta lauku programuo- jamoje loginėje matricoje. Disertacijoje tiriami šie su tyrimo objektu susiję dalykai: įgyvendinimo kokybė ir įgyvendinimo būdai. Disertacijos tikslas – pasiūlyti originalius LPLM technologija grįstus MP siste- mos sprendimus, sukuriant ir ištiriant realaus laiko metabolinių procesų imitavimo ir testavimo elektroninę sistemą. Siekiant išspręsti iškeltą problemą ir įgyvendinti darbo tikslą, suformuluoti šie darbo uždaviniai: remiantis MP sistemos teoriniais rezul- tatais ir pasaulinės praktikos įžvalgomis, pasiūlyti originalią metodiką MP sistemos konceptams transformuoti į LPLM struktūrinius elementus ir signalizacijos schemas; atskleisti šios transformacijos kokybines charakteristikas greitaveikos, sudėtingumo ir energijos sąnaudų kriterijų pagrindu; sukurti realaus laiko metabolinių procesų imi- tavimo ir testavimo elektroninę sistemą ir eksperimentiškai ją ištirti. Disertaciją sudaro įvadas, keturi skyriai ir bendrosios išvados. Pirmajame skyri- uje pateikiamos žinios apie gamtinius skaičiavimus, MP sistemų apibrėžimą ir jų taikymą, LPLM įgyvendinimo kokybės vertinimą. Antrajame skyriuje yra išrenkami skaičiavimo tikslumo, greitaveikos, LPLM išteklių panaudojimo, galios suvartojimo bei sąsajos sudėtingumo kokybės kriterijai, skirti MP sistemų LPLM įgyvendinimų vertinimui. Taip pat pasiūloma nauja bendros MP sistemų kokybės metrika ir jos grafinis atvaizdavimas. Trečiajame skyriuje esami LPLM įgyvendinimo metodai yra pritaikomi MP sistemoms ir yra pasiūlomas naujas apibendrinto įgyvendinimo būdas. Sukurtų MP sistemų LPLM įgyvendinimų tyrimai pristatomi ketvirtajame skyriuje. Tyrimuose nagrinėjami vienos MP sistemos įgyvendinimai trimis skirtingais metodais ir daugelio MP sistemų įgyvendinimai dviem naujais sukurtais apibendrinto įgyven- dinimo metodais. Pagrindiniai disertacijos rezultatai paskelbti 5 -iuose moksliniuose straipsniuose, iš kurių 3 atspausdinti recenzuojamuose mokslo žurnaluose. Iš jų 1 straipsnis paskelb- tas mokslo žurnale, įtrauktame į Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazę. Kiti 2 straipsniai – konferencijų medžiagoje. Rezultatai viešinti 6 mokslinėse konfer- encijose.

The advancement in the fields of electronics and nature inspired computing, includ- ing metabolic P (MP) systems, presents new possible solutions to existing problems, however there are still no implementations of MP systems in field programmable gate arrays (FPGA). Therefore, in this work the problem of lack of knowledge about the quality of MP systems implementation in FPGA together with absence of implemen- tation technique for multiple and effective MP systems is solved. The object of the research is specialized MP system implementations in FPGA that operate in real-time. The main aspects of the research object investigated in the thesis are: implementation quality and techniques. The aim of the thesis is to offer original FPGA based MP system solutions by creating and investigating real-time metabolic process electronic system used for imi- tation and testing. In order to solve the stated problem and reach the aim of the thesis the following objectives are formulated: using theoretical results of MP systems and other best practices, offer original solutions for MP system transformation to FPGA structural elements and signal processing schemes; reveal quality characteristics of the transformation based on throughput, complexity and power consumption; create real-time metabolic process imitation and testing electronic system and perform its evaluation experiments. The dissertation consists of an introduction, four chapters and general conclu- sions. The first chapter reveals the fundamental knowledge on nature inspired com- puting, MP system definition and application, and FPGA implementation quality es- timation. In the second chapter the quality criteria of calculation accuracy, through- put, resource usage, power consumption and interface complexity are selected for the evaluation of MP system FPGA implementation. New combined MP system quality metric ant its visualisation is also proposed. In the third chapter the common FPGA implementation techniques are adapted for MP systems and new unified technique is proposed. The evaluation of the developed MP system implementations in FPGA is presented in the fourth chapter. The experiments consist of a single MP system imple- mentation using three different techniques and a multiple MP system implementation using two new developed unified implementation techniques. The main results of the thesis were published in 5 scientific publications: three of them were printed in peer-reviewed scientific journals, one of them in Clarivate Analytics Web of Science database, two articles – in conference proceedings. The research results were presented in 6 scientific conferences.