Max Home IndustryКажется, что хаос и сложность идут рука об руку, но можно ли создать хаотичную схему из небольшого количества деталей? Поиск на суперкомпьютере предполагает, что да, и хаос встречается чаще, чем вы могли ожидать.
Исследователи из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове изучают хаос в электронике. В статье, опубликованной в журнале Chaos, они представили 49 новых необычных хаотических электронных генераторов, не разработанных, но обнаруженных с помощью компьютерного моделирования.
Что они сделали, так это закодировали все возможные схемы. Структура схем, состоящая из коммерчески доступных компонентов, была отображена как последовательность из 85 бит. В максимальной конфигурации моделируемые схемы состояли из источника питания, двух транзисторов, резистора и шести конденсаторов или индукционных катушек, соединенных в схему, содержащую восемь узлов. Подготовленные таким образом цепочки битов затем подвергались случайным модификациям. Моделирование проводилось на суперкомпьютере Cray XD1.
На этом этапе вы могли подумать, что генетический алгоритм в порядке, но вместо этого слепым поиском были обнаружены цепи.
Учитывая, что существует 285 возможных схем, вы можете понять, зачем понадобился суперкомпьютер. Цепи были протестированы с использованием моделирования SPICE на интересное поведение. Пространство поиска было настолько большим, что им удалось протестировать только около 2 миллионов цепей, что составляет очень маленький кусочек всего пространства.
Из 2 миллионов 2500 проявили интересное поведение. Причина использования прямого поиска заключается в том, что прошлые попытки реализовать генетические алгоритмы в схемах были менее чем успешными, поскольку кроссовер имел тенденцию создавать нефункционирующие схемы. Кажется, трудно найти представление, которое работало бы, чтобы произвести потомство с общими характеристиками.
Теперь мы подошли к интересной проблеме. Моделирование SPICE на самом деле не подходило для моделирования хаотических цепей. Этого можно было ожидать, поскольку численная точность, необходимая для моделирования хаоса, очень высока. В хаотических системах небольшие изменения входов приводят к большим изменениям выходов, а это означает, что небольшие ошибки приводят к сбою моделирования. Однако, когда точность была увеличена, казалось, что это мало повлияло на прогнозы. В результате ничего не оставалось, кроме как построить 100 самых интересных схем. После некоторой тонкой настройки количество интересных схем было уменьшено до 49. В самом маленьком хаотическом генераторе использовался только один транзистор, один конденсатор, один резистор и две катушки.
Некоторые из осцилляторов генерировали скачки напряжения, похожие на те, что вы измеряете в биологических нейронных сетях:
До этого исследования было известно лишь небольшое количество конфигураций, являющихся хаотическими. Теперь кажется, что хаос не редкость в небольших конфигурациях.
Генераторы на основе транзисторов были повсеместным элементом электроники на протяжении десятилетий, генерируя периодические сигналы в различных приложениях, например, в связи, синхронизации и генерации звука. Было установлено, что небольшие схемы, содержащие самое большее несколько транзисторов, могут также генерировать хаотические сигналы, которые имеют сложные особенности и по своей природе непредсказуемы, хотя и не случайны. Среди прочего, такие хаотические осцилляторы привлекли интерес своей способностью воспроизводить некоторые явления, происходящие в биологических системах, когда они связаны в сети. Однако на сегодняшний день на удивление мало известно о том, как их получить, даже если они представляют собой «необычные» или «особые» ситуации. Здесь автоматически было спроектировано большое количество хаотических генераторов на основе транзисторов. Эти схемы нетривиально представляют известные топологии или их варианты, и поэтому являются «нетипичными».