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JP2005275932A - Hardware simulator - Google Patents

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JP2005275932A
JP2005275932A JP2004089847A JP2004089847A JP2005275932A JP 2005275932 A JP2005275932 A JP 2005275932A JP 2004089847 A JP2004089847 A JP 2004089847A JP 2004089847 A JP2004089847 A JP 2004089847A JP 2005275932 A JP2005275932 A JP 2005275932A
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simulation
storage device
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Tetsuya Maeshiro
哲也 真栄城
Hitoshi Henmi
均 邊見
Katsunori Shimohara
勝憲 下原
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ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hardware simulator capable of resetting simulation data at high speed even in a case of a large-scaled simulation object. <P>SOLUTION: A transfer control part C13 successively stores, according to a transfer control signal instructing data transfer from a substance counter C11 to a storage device C12, a count value of the substance counter C11 to an address showing the input time of the transfer control signal of the storage device C12 during simulation. When the simulation is restarted from a certain specified point of time, the control part C13 replaces, according to a transfer control signal instructing data transfer from the storage device C12 to the substance counter C11 with an address showing the time, data of the designated address of the storage device C12 as a count value of the substance counter C11. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、所定のハードウエアから構成され、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーション対象物の変化量をシミュレーションするハードウエアシミュレータに関するものである。   The present invention relates to a hardware simulator that is configured from predetermined hardware and that simulates the amount of change of a simulation object due to a reaction between simulation objects.

従来の化学反応シミュレーション方法としては、例えば、シミュレーションプログラムを計算機で実行することにより、有限温度及び有限時間を設定し、これら有限温度及び有限時間における分子動力学計算を行い、分子動力学計算により求められた励起状態を含む構造のすべてを用いて物質の全原子に働く力がすべて緩和される安定構造を複数求める処理等を行うシミュレーション装置がある(特許文献1参照)。このとき、様々なパラメータの影響を調べるために、パラメータの値を種々変更してシミュレーションが行われる。
特開2002−260975号公報
As a conventional chemical reaction simulation method, for example, by executing a simulation program on a computer, a finite temperature and a finite time are set, a molecular dynamics calculation at the finite temperature and a finite time is performed, and a molecular dynamics calculation is performed. There is a simulation apparatus that performs processing for obtaining a plurality of stable structures in which all the forces acting on all atoms of a substance are alleviated using all the structures including excited states (see Patent Document 1). At this time, in order to investigate the influence of various parameters, simulation is performed by changing various parameter values.
JP 2002-260975 A

しかしながら、シミュレーション対象が大規模になると、シミュレーションをある特定の時点から再開する場合や複数のシミュレーションを同時に実行している場合に、特定の時点のデータや別のデータをシミュレーションデータとして転送するためには、膨大な時間が必要となる。   However, when the simulation target becomes large, when the simulation is restarted from a certain point in time or when multiple simulations are executed at the same time, in order to transfer the data at a certain point or other data as simulation data Takes a lot of time.

本発明の目的は、シミュレーション対象が大規模な場合でも、シミュレーションデータを高速に再設定することができるハードウエアシミュレータを提供することである。   An object of the present invention is to provide a hardware simulator capable of resetting simulation data at high speed even when a simulation target is large-scale.

本発明に係るハードウエアシミュレータは、所定のハードウエアから構成され、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーション対象物の変化量をシミュレーションするハードウエアシミュレータであって、シミュレーション対象物ごとに設けられ、当該シミュレーション対象物に関する値を演算する複数の演算素子と、前記シミュレーション対象物間の反応に応じて演算素子の値を変化させる反応回路と、前記演算素子ごとに設けられ、前記演算素子が演算した値を記憶する複数の記憶装置とを備えるものである。   A hardware simulator according to the present invention is a hardware simulator that is configured of predetermined hardware and that simulates the amount of change in a simulation target due to a reaction between the simulation targets, and is provided for each simulation target. A plurality of computing elements that compute values related to the object, a reaction circuit that changes the value of the computing element according to a reaction between the simulation objects, and a value calculated by the computing element provided for each computing element A plurality of storage devices for storage.

本発明に係るハードウエアシミュレータでは、シミュレーション対象物ごとに当該シミュレーション対象物に関する値を演算する演算素子が設けられ、反応回路によりシミュレーション対象物間の反応に応じて演算素子の値が変化されることにより、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーション対象物の変化量がシミュレーションされる。このとき、演算素子が演算した値を記憶する記憶装置が演算素子ごとに設けられているので、演算素子が演算した値を記憶装置に適宜記憶させ、必要に応じて記憶装置に記憶させている値を演算素子に再度設定することができ、シミュレーション対象が大規模な場合でも、シミュレーションデータを高速に再設定することができる。   In the hardware simulator according to the present invention, an arithmetic element that calculates a value related to the simulation target object is provided for each simulation target object, and the value of the arithmetic element is changed according to the reaction between the simulation target objects by the reaction circuit. Thus, the amount of change of the simulation object due to the reaction between the simulation objects is simulated. At this time, since a storage device that stores the value calculated by the arithmetic element is provided for each arithmetic element, the value calculated by the arithmetic element is appropriately stored in the storage device, and stored in the storage device as necessary. The value can be set again in the arithmetic element, and the simulation data can be reset at high speed even when the simulation target is large.

前記演算素子ごとに設けられ、前記演算素子の値を前記記憶装置へ転送するように前記演算素子を制御する転送制御回路をさらに備えることが好ましい。この場合、演算素子の値を記憶装置へ転送するように演算素子を制御することができるので、演算素子が演算した値を記憶装置に適宜記憶させることができる。   It is preferable to further include a transfer control circuit that is provided for each arithmetic element and controls the arithmetic element so as to transfer the value of the arithmetic element to the storage device. In this case, since the arithmetic element can be controlled so as to transfer the value of the arithmetic element to the storage device, the value calculated by the arithmetic element can be appropriately stored in the storage device.

前記記憶装置は、前記演算素子が演算した値を複数記憶し、前記転送制御回路は、前記記憶装置が記憶している複数の値の中から一の値を前記演算素子に設定するように前記記憶装置を制御することが好ましい。この場合、記憶装置が記憶している複数の値の中から一の値を演算素子に設定することができるので、記憶装置に記憶させている値を必要に応じて演算素子に再度設定することができる。   The storage device stores a plurality of values calculated by the arithmetic element, and the transfer control circuit sets the arithmetic element so as to set one value among the plurality of values stored in the storage device. It is preferable to control the storage device. In this case, since one value can be set in the arithmetic element from among a plurality of values stored in the storage device, the value stored in the storage device can be set again in the arithmetic element as necessary. Can do.

前記演算素子が演算した値が所定の範囲内にあるか否かを判断する判断回路をさらに備えることが好ましい。この場合、演算素子が演算した値が所定の範囲内にあるか否かを判断することができるので、演算素子が演算した値に応じて、記憶装置に記憶させている値を演算素子に再度設定することができる。   It is preferable to further include a determination circuit that determines whether or not the value calculated by the arithmetic element is within a predetermined range. In this case, since it can be determined whether or not the value calculated by the arithmetic element is within a predetermined range, the value stored in the storage device is again stored in the arithmetic element according to the value calculated by the arithmetic element. Can be set.

前記判断回路は、前記演算素子が演算した値が所定の範囲内にないと判断した場合、前記記憶装置が記憶している複数の値の中から一の値を前記演算素子に設定するように前記転送制御回路を制御することが好ましい。   When the determination circuit determines that the value calculated by the calculation element is not within a predetermined range, the determination circuit sets one value among the plurality of values stored in the storage device to the calculation element. It is preferable to control the transfer control circuit.

この場合、演算素子が演算した値が所定の範囲内にないと判断されたとき、記憶装置が記憶している複数の値の中から一の値を演算素子に設定することができるので、演算素子が演算した値がシミュレーション結果として不要な値になった場合等において、適正な値を用いて再度シミュレーションを継続することができる。   In this case, when it is determined that the value calculated by the calculation element is not within the predetermined range, one value can be set in the calculation element from among a plurality of values stored in the storage device. When the value calculated by the element becomes an unnecessary value as a simulation result, the simulation can be continued again using an appropriate value.

前記複数の演算素子のうち所定の演算素子が演算した値が所定の条件を満たすか否かを判断する第1判断回路と、前記第1判断回路により所定の条件を満たすと判定された場合に、前記複数の演算素子のうち所定の演算素子が演算した値に基づく値が所定の範囲内にあるか否かを判断する第2の判断回路とをさらに備えることが好ましい。   A first determination circuit that determines whether or not a value calculated by a predetermined calculation element among the plurality of calculation elements satisfies a predetermined condition; and when the first determination circuit determines that the predetermined condition is satisfied It is preferable that the apparatus further includes a second determination circuit that determines whether or not a value based on a value calculated by a predetermined calculation element among the plurality of calculation elements is within a predetermined range.

この場合、複数の演算素子のうち所定の演算素子が演算した値が所定の条件を満たすか否かを判断し、このような状態が発生した場合に、演算素子が演算した値に基づく値が所定の範囲内にあるか否かを判断することができるので、ある物質が所定の条件を満たすことを条件としてある物質が反応を行う場合等の複雑な条件を考慮しながら、演算素子が演算した値に基づく値に応じて、記憶装置に記憶させている値を演算素子に再度設定することができる。   In this case, it is determined whether or not a value calculated by a predetermined calculation element among a plurality of calculation elements satisfies a predetermined condition, and when such a condition occurs, a value based on the value calculated by the calculation element is determined. Since it can be determined whether or not it is within a predetermined range, the computing element calculates while considering complex conditions such as when a certain substance reacts on the condition that a certain substance satisfies a predetermined condition. The value stored in the storage device can be set again in the arithmetic element in accordance with the value based on the obtained value.

前記第2判断回路は、前記所定の演算素子が演算した値に基づく値が所定の範囲内にないと判断した場合、当該演算素子に対して設けられている記憶装置が記憶している複数の値の中から一の値を当該演算素子に設定するように前記転送制御回路を制御することが好ましい。   When the second determination circuit determines that a value based on a value calculated by the predetermined calculation element is not within a predetermined range, the second determination circuit stores a plurality of storage devices provided for the calculation element. It is preferable to control the transfer control circuit so that one of the values is set in the arithmetic element.

この場合、演算素子が演算した値に基づく値が所定の範囲内にないと判断された場合、記憶装置が記憶している複数の値の中から一の値を演算素子に設定することができるので、上記の複雑な条件を考慮しながら、演算素子が演算した値がシミュレーション結果として不要な値になった場合等において、適正な値を用いて再度シミュレーションを継続することができる。   In this case, when it is determined that the value based on the value calculated by the calculation element is not within the predetermined range, one value can be set as the calculation element from among a plurality of values stored in the storage device. Therefore, the simulation can be continued again using an appropriate value when the value calculated by the calculation element becomes an unnecessary value as a simulation result while considering the above complicated condition.

本発明によれば、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーション対象物の変化量がシミュレーションされているときに、演算素子が演算した値を記憶する記憶装置が演算素子ごとに設けられているので、演算素子が演算した値を記憶装置に適宜記憶させ、必要に応じて記憶装置に記憶させている値を演算素子に再度設定することができ、シミュレーション対象が大規模な場合でも、シミュレーションデータを高速に再設定することができる。   According to the present invention, when the amount of change of the simulation object due to the reaction between the simulation objects is simulated, the storage device that stores the value calculated by the calculation element is provided for each calculation element. The value calculated by the element can be stored in the storage device as needed, and the value stored in the storage device can be set again in the storage element as necessary. Even when the simulation target is large, simulation data can be stored at high speed. Can be reset.

以下、本発明によるハードウエアシミュレータの一例として、生化学反応をシミュレーションし、シグナル伝達ネットワーク、遺伝子ネットワーク等の解明に好適に用いられる化学反応シミュレーション装置について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, as an example of a hardware simulator according to the present invention, a chemical reaction simulation apparatus that simulates a biochemical reaction and is suitably used for elucidating a signal transmission network, a gene network, and the like will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の第1の実施の形態によるハードウエアシミュレータの構成を示すブロック図である。図1に示すハードウエアシミュレータは、複数の乱数発生器R1〜Rn(nは任意の正数)、複数の酵素カウンタK1〜Kn、複数の絞り回路V1〜Vn、複数の反応実行回路H1〜Hn、複数のカウンタ部C1〜Cm(mは任意の正数)及び接続切り換え回路SWを備える。酵素カウンタK1〜Kn、絞り回路V1〜Vn及び反応実行回路H1〜Hnは、シミュレーションに使用される生化学反応ごとに設けられ、カウンタ部C1〜Cmは、シミュレーションに使用される物質ごとに設けられる。   FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a hardware simulator according to the first embodiment of the present invention. The hardware simulator shown in FIG. 1 includes a plurality of random number generators R1 to Rn (n is an arbitrary positive number), a plurality of enzyme counters K1 to Kn, a plurality of throttle circuits V1 to Vn, and a plurality of reaction execution circuits H1 to Hn. And a plurality of counter units C1 to Cm (m is an arbitrary positive number) and a connection switching circuit SW. The enzyme counters K1 to Kn, the diaphragm circuits V1 to Vn, and the reaction execution circuits H1 to Hn are provided for each biochemical reaction used for the simulation, and the counter units C1 to Cm are provided for each substance used for the simulation. .

乱数発生器R1は、絞り回路V1の入力側に接続され、反応実行回路H1は、絞り回路V1の出力側に接続され、酵素カウンタK1は、絞り回路V1に接続される。他の乱数発生器、酵素カウンタ、絞り回路及び反応実行回路も上記と同様に接続される。   The random number generator R1 is connected to the input side of the aperture circuit V1, the reaction execution circuit H1 is connected to the output side of the aperture circuit V1, and the enzyme counter K1 is connected to the aperture circuit V1. Other random number generators, enzyme counters, throttle circuits, and reaction execution circuits are also connected in the same manner as described above.

接続切り換え回路SWは、例えば、空間スイッチ等から構成され、複数の増加指令用の入力配線I1〜In及び減少指令用の入力配線D1〜Dnと、複数の増加指令用の出力配線i1〜im及び減少指令用の出力配線d1〜dmを含み、各配線がマトリックス状に配置されている。反応実行回路H1は、接続切り換え回路SWの増加指令用の入力配線I1及び減少指令用の入力配線D1に接続され、他の反応実行回路も同様に接続される。   The connection switching circuit SW is composed of, for example, a space switch or the like, and includes a plurality of increase command input wires I1 to In and a decrease command input wires D1 to Dn, and a plurality of increase command output wires i1 to im. The output wirings d1 to dm for reduction command are included, and each wiring is arranged in a matrix. The reaction execution circuit H1 is connected to the input wiring I1 for increase command and the input wiring D1 for decrease command of the connection switching circuit SW, and other reaction execution circuits are similarly connected.

図2は、図1に示すカウンタ部C1の一例の構成を示すブロック図である。図2に示すカウンタ部C1は、物質カウンタC11、記憶装置C12及び転送制御部C13を備える。他のカウンタ部C2〜Cmも同様に構成され、下記と同様に動作する。   FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of the counter unit C1 shown in FIG. The counter unit C1 illustrated in FIG. 2 includes a substance counter C11, a storage device C12, and a transfer control unit C13. The other counter units C2 to Cm are similarly configured and operate in the same manner as described below.

物質カウンタC11は、例えば、バイナリカウンタ等から構成され、接続切り換え回路SWの増加指令用の出力配線i1及び減少指令用の出力配線d1に接続される。物質カウンタC11は、反応前の各物質の数、すなわち分子数又は原子数を初期カウント値として設定され、反応実行回路H1〜Hnの減少指令及び増加指令に応じて、そのカウント値を減少及び増加させる。なお、物質カウンタは、上記のバイナリカウンタに特に限定されず、シミュレーション対象物ごとに設けられ、当該シミュレーション対象物に関する値を演算する演算素子であれば、他のカウンタ等を用いてもよい。例えば、代謝経路におけるクエン酸回路のような生化学反応を状態遷移と捉え、状態遷移機械(有限状態オートマトン)を組み合わせて使用する場合、物質カウンタとしてジョンソンカウンタを用いることにより、コンパクトな回路により高速にシミュレーションすることができる。   The substance counter C11 is composed of, for example, a binary counter or the like, and is connected to the output wiring i1 for increase command and the output wiring d1 for decrease command of the connection switching circuit SW. In the substance counter C11, the number of each substance before the reaction, that is, the number of molecules or the number of atoms is set as an initial count value, and the count value is decreased and increased according to the decrease command and the increase command of the reaction execution circuits H1 to Hn. Let The substance counter is not particularly limited to the binary counter described above, and any other counter or the like may be used as long as it is an arithmetic element that is provided for each simulation target and calculates a value related to the simulation target. For example, when a biochemical reaction such as a citric acid circuit in a metabolic pathway is regarded as a state transition and used in combination with a state transition machine (finite state automaton), a Johnson counter is used as a substance counter, thereby enabling a faster and more compact circuit. Can be simulated.

転送制御部C13は、外部から入力される転送制御信号に応じて、物質カウンタC11から記憶装置C12へのデータ転送及び記憶装置C12から物質カウンタC11へのデータ転送を制御する。具体的には、転送制御部C13は、物質カウンタC11から記憶装置C12へのデータ転送を指示する転送制御信号を受けた場合、物質カウンタC11のカウント値を記憶装置C12の所定のアドレスに記憶させる。また、転送制御部C13は、記憶装置C12から物質カウンタC11へのデータ転送を指示する転送制御信号を受けた場合、記憶装置C12の指定されたアドレスのデータを物質カウンタC11のカウント値として入れ替える。例えば、アドレスA1のデータD1を記憶装置C12から物質カウンタC11へ転送するように指示された場合、転送制御部C13は、記憶装置C12に対してアドレスA1のデータD1を物質カウンタC11へ転送するように指示し、記憶装置C12は、アドレスA1のデータD1を物質カウンタC11へ転送する。   The transfer control unit C13 controls data transfer from the substance counter C11 to the storage device C12 and data transfer from the storage device C12 to the substance counter C11 according to a transfer control signal input from the outside. Specifically, when receiving a transfer control signal instructing data transfer from the substance counter C11 to the storage device C12, the transfer control unit C13 stores the count value of the substance counter C11 at a predetermined address in the storage device C12. . When the transfer control unit C13 receives a transfer control signal instructing data transfer from the storage device C12 to the substance counter C11, the transfer control unit C13 replaces the data at the designated address in the storage device C12 as the count value of the substance counter C11. For example, when instructed to transfer the data D1 at the address A1 from the storage device C12 to the substance counter C11, the transfer control unit C13 transfers the data D1 at the address A1 to the substance counter C11 with respect to the storage device C12. The storage device C12 transfers the data D1 at the address A1 to the substance counter C11.

記憶装置C12としては、上記のアドレス指定により動作するものに特に限定されず、種々の記憶装置を用いることができ、最後に転送されたデータが最初に取り出されるスタック型の記憶装置(LIFO)等を用いてもよい。また、アドレス部分をシミュレーション時間としてアドレスを使用する場合、連想メモリ(Content Addressable Memory)を用いることが好ましい。この場合、記憶装置のアドレス指定は、アドレス部分の内容を指定することになり、所望のデータを効率よく転送することができる。   The storage device C12 is not particularly limited to the one that operates according to the above addressing, and various storage devices can be used. A stack type storage device (LIFO) or the like from which the last transferred data is first extracted is used. May be used. Further, when an address is used with the address portion as a simulation time, it is preferable to use an associative memory (Content Addressable Memory). In this case, the addressing of the storage device designates the contents of the address part, and the desired data can be transferred efficiently.

再び、図1を参照して、接続切り換え回路SWにおいて図中に黒丸で示す各配線の交点NDには、時分割ゲート及び時分割ゲートのオン/オフを制御する保持メモリ等から構成されるスイッチ(図示省略)が配置されている。接続切り換え回路SWは、各スイッチをオン/オフすることにより、増加指令用の入力配線I1〜Inと複数の増加指令用の出力配線i1〜imとの接続状態及び減少指令用の入力配線D1〜Dnと減少指令用の出力配線d1〜dmとの接続状態を制御し、各反応実行回路H1〜Hnが表す生化学反応の反応前の物質を表す物質カウンタ及び反応後の物質を表す物質カウンタと対応する反応実行回路とを接続する。なお、接続切り換え回路SWは、上記の空間スイッチに特に限定されず、反応実行回路と物質カウンタとの接続状態を切り換えることができるものであれば、他の接続切り換え回路を用いてもよい。   Referring again to FIG. 1, in the connection switching circuit SW, a switch composed of a time-division gate and a holding memory for controlling on / off of the time-division gate at the intersection ND of each wiring indicated by a black circle in the figure (Not shown) is arranged. The connection switching circuit SW turns on / off each switch to connect the increase command input wirings I1 to In to the plurality of increase command output wires i1 to im and decrease command input wirings D1 to D1. A substance counter that represents a substance before the reaction of a biochemical reaction represented by each reaction execution circuit H1 to Hn, and a substance counter that represents a substance after the reaction, which controls the connection state between Dn and the output wirings d1 to dm for decrease command Connect the corresponding reaction execution circuit. The connection switching circuit SW is not particularly limited to the above space switch, and other connection switching circuits may be used as long as the connection state between the reaction execution circuit and the substance counter can be switched.

乱数発生器R1は、生化学反応の反応速度を制御するための所定の乱数を、絞り回路V1を介して反応実行回路H1に出力する。乱数発生器としては、擬似乱数を発生させる擬似乱数発生回路、カオス的な乱数を発生させるカオス発生回路、熱雑音に基づく乱数を発生させる熱雑音発生回路等を用いることができる。   The random number generator R1 outputs a predetermined random number for controlling the reaction rate of the biochemical reaction to the reaction execution circuit H1 via the throttle circuit V1. As the random number generator, a pseudo random number generation circuit that generates pseudo random numbers, a chaos generation circuit that generates chaotic random numbers, a thermal noise generation circuit that generates random numbers based on thermal noise, and the like can be used.

例えば、擬似乱数発生回路としては、線形フィードバックシフトレジスタを用いることによって、線形フィードバックシフトレジスタがL個のレジスタから構成されると、2L−1の長周期を有するが、ほぼランダムな乱数を発生させることができる。カオス発生回路としては、コンデンサと可変抵抗回路とで構成される閉ループにより不規則な信号を発生させる回路等を用いることによって、カオス的な振る舞いを行う不規則な乱数を発生させることができる。熱雑音発生回路としては、短周期のパルスを長周期のパルスによりラッチし、ラッチされた短周期のパルスのレベルを乱数として出力する回路等を用いることによって、ホワイトノイズによる周期性のない乱数を発生させることができる。 For example, as a pseudo-random number generation circuit, a linear feedback shift register is used, and when the linear feedback shift register is composed of L registers, a random number having a long period of 2 L -1 is generated. Can be made. As the chaos generation circuit, an irregular random number that performs chaotic behavior can be generated by using a circuit that generates an irregular signal by a closed loop including a capacitor and a variable resistance circuit. As a thermal noise generation circuit, by using a circuit that latches short cycle pulses with long cycle pulses and outputs the level of the latched short cycle pulses as random numbers, random numbers without periodicity due to white noise can be generated. Can be generated.

酵素カウンタK1は、反応実行回路H1が表す生化学反応に使用される酵素物質の数、すなわち酵素物質の分子数をそのカウント値として設定され、設定されたカウント値に応じて絞り回路V1の絞り量が調整される。なお、一般の化学反応の場合は、酵素カウンタが触媒カウンタに変更され、生細胞内で作られる蛋白性の生体触媒である酵素の代わりに、触媒物質の数がそのカウント値として設定される。また、触媒(酵素)を使用しない化学反応の場合、触媒(酵素)カウンタ及び絞り回路は不要となる。   The enzyme counter K1 is set with the number of enzyme substances used in the biochemical reaction represented by the reaction execution circuit H1, that is, the number of molecules of the enzyme substance as its count value, and the aperture of the aperture circuit V1 according to the set count value. The amount is adjusted. In the case of a general chemical reaction, the enzyme counter is changed to a catalyst counter, and the number of catalytic substances is set as the count value instead of an enzyme that is a protein biocatalyst produced in living cells. In the case of a chemical reaction that does not use a catalyst (enzyme), a catalyst (enzyme) counter and a throttle circuit are not required.

具体的には、乱数発生器R1が乱数として“1”又は“0”のデータをランダムに発生し、酵素カウンタK1がそのカウント値に応じて“0”に対する“1”の頻度を調整して“1”又は“0”のデータを出力する。このとき、絞り回路V1は両データの論理積を取り、その結果を反応実行回路H1へ出力する。したがって、酵素カウンタK1のカウント値に応じて反応実行回路H1へ入力される“1”の頻度が調整される。   Specifically, the random number generator R1 randomly generates “1” or “0” data as a random number, and the enzyme counter K1 adjusts the frequency of “1” with respect to “0” according to the count value. Data of “1” or “0” is output. At this time, the aperture circuit V1 takes the logical product of both data and outputs the result to the reaction execution circuit H1. Therefore, the frequency of “1” input to the reaction execution circuit H1 is adjusted according to the count value of the enzyme counter K1.

反応実行回路H1は、データとして“1”が入力された場合、反応を実行させるため、増加指令用の入力配線I1にカウント値を1だけ増加させるための増加指令を出力するとともに、減少指令用の入力配線D1にカウント値を1だけ減少させるための減少指令を出力する。一方、反応実行回路H1は、データとして“0”が入力された場合、反応を行わないようにするため(不実行の状態)、増加指令及び減少指令を出力しない。   When “1” is input as data, the reaction execution circuit H1 outputs an increase command for increasing the count value by 1 to the increase command input wiring I1 and executes a decrease command. A decrease command for decreasing the count value by 1 is output to the input wiring D1. On the other hand, when “0” is input as data, the reaction execution circuit H1 does not output an increase command and a decrease command so as not to perform a reaction (non-execution state).

このとき、接続切り換え回路SWは、減少指令用の入力配線D1と、反応実行回路H1が表す生化学反応における反応前の物質の数、すなわち分子数又は原子数を表す物質カウンタに接続されている減少指令用の出力配線とを接続している。したがって、反応実行回路H1から出力される減少指令が反応前の物質に対して設けられた物質カウンタへ入力され、当該物質カウンタが自身のカウント値を1だけ減少させる。また、接続切り換え回路SWは、増加指令用の入力配線I1と、反応実行回路H1が表す生化学反応における反応後の物質の数、すなわち分子数又は原子数を表す物質カウンタに接続されている増加指令用の出力配線とを接続している。したがって、反応実行回路H1から出力される増加指令が反応後の物質に対して設けられた物質カウンタへ入力され、当該物質カウンタが自身のカウント値を1だけ増加させる。   At this time, the connection switching circuit SW is connected to the input wiring D1 for decrease command and the substance counter representing the number of substances before reaction in the biochemical reaction represented by the reaction execution circuit H1, that is, the number of molecules or the number of atoms. The output wiring for the reduction command is connected. Therefore, the decrease command output from the reaction execution circuit H1 is input to the substance counter provided for the substance before the reaction, and the substance counter decreases its count value by one. The connection switching circuit SW is connected to an increase command input wiring I1 and a substance counter representing the number of substances after reaction in the biochemical reaction represented by the reaction execution circuit H1, that is, the number of molecules or the number of atoms. The output wiring for command is connected. Therefore, the increase command output from the reaction execution circuit H1 is input to the substance counter provided for the substance after the reaction, and the substance counter increases its count value by one.

他の乱数発生器、酵素カウンタ、絞り回路及び反応実行回路も、上記と同様に構成され、生化学反応に応じて上記と同様に動作する。なお、酵素カウンタに割り当てられる酵素の数が生化学反応等により増減する場合は、酵素カウンタも物質カウンタと同様に構成されて接続切り換え回路に接続され、対応する反応実行回路によりそのカウント値が増減される。   Other random number generators, enzyme counters, throttling circuits, and reaction execution circuits are also configured in the same manner as described above, and operate in the same manner as described above according to biochemical reactions. When the number of enzymes assigned to the enzyme counter increases or decreases due to a biochemical reaction or the like, the enzyme counter is also configured in the same way as the substance counter and is connected to the connection switching circuit, and the count value is increased or decreased by the corresponding reaction execution circuit. Is done.

本実施の形態において、物質カウンタC11が演算素子の一例に相当し、反応実行回路H1〜Hn、乱数発生器R1〜Rn、酵素カウンタK1〜Kn、絞り回路V1〜Vn及び接続切り換え回路SWが反応回路の一例に相当し、記憶装置C12が記憶装置の一例に相当し、転送制御部C13が転送制御回路の一例に相当する。   In the present embodiment, the substance counter C11 corresponds to an example of an arithmetic element, and the reaction execution circuits H1 to Hn, the random number generators R1 to Rn, the enzyme counters K1 to Kn, the throttling circuits V1 to Vn, and the connection switching circuit SW are reacted. The storage device C12 corresponds to an example of a circuit, the storage device C12 corresponds to an example of a storage device, and the transfer control unit C13 corresponds to an example of a transfer control circuit.

次に、上記のように構成されたハードウエアシミュレータの動作について説明する。まず、シミュレーションの対象となる物質、生化学反応及び酵素等に関する必要なデータを用いて、各カウンタ部C1〜Cmの物質カウンタC11に各物質の数を表すカウンタの初期値が設定されるとともに、酵素カウンタK1〜Knに各酵素の数を表すカウンタの初期値が設定される。次に、乱数発生器R1〜Rnは上記の乱数を発生させ、絞り回路V1〜Vnは、酵素カウンタK1〜Knの酵素の数に応じて乱数を補正する。反応実行回路H1〜Hnは、酵素数により補正された乱数の値に応じて反応が実行されるように、反応前の物質の分子数又は原子数を表す物質カウンタC11のカウント値を1だけ減少させるとともに、反応後の物質の分子数又は原子数を表す物質カウンタC11のカウント値を1だけ増加させる。   Next, the operation of the hardware simulator configured as described above will be described. First, using the necessary data regarding the substance to be simulated, biochemical reaction, enzyme, and the like, the initial value of the counter indicating the number of each substance is set in the substance counter C11 of each counter unit C1 to Cm, The initial value of the counter indicating the number of each enzyme is set in the enzyme counters K1 to Kn. Next, the random number generators R1 to Rn generate the above random numbers, and the diaphragm circuits V1 to Vn correct the random numbers according to the number of enzymes in the enzyme counters K1 to Kn. The reaction execution circuits H1 to Hn decrease the count value of the substance counter C11 indicating the number of molecules or atoms of the substance before the reaction by 1 so that the reaction is executed according to the random number value corrected by the number of enzymes. At the same time, the count value of the substance counter C11 indicating the number of molecules or atoms of the substance after the reaction is increased by one.

このようにして、各反応実行回路H1〜Hnが表す生化学反応の反応速度が反応実行回路H1〜Hnごとに調整され、各反応実行回路H1〜Hnが表す生化学反応の反応前後の物質に対応する物質カウンタC11が対応する反応実行回路H1〜Hnに接続されるとともに、各反応実行回路H1〜Hnが表す生化学反応に応じて反応前後の物質に対応する物質カウンタC11のカウント値が減少又は増加され、複数の生化学反応が並列的にシミュレーションされる。   In this way, the reaction rate of the biochemical reaction represented by each reaction execution circuit H1 to Hn is adjusted for each reaction execution circuit H1 to Hn, and the substances before and after the reaction of the biochemical reaction represented by each reaction execution circuit H1 to Hn are adjusted. The corresponding substance counter C11 is connected to the corresponding reaction execution circuit H1 to Hn, and the count value of the substance counter C11 corresponding to the substance before and after the reaction is decreased according to the biochemical reaction represented by each reaction execution circuit H1 to Hn. Or increased and multiple biochemical reactions are simulated in parallel.

このように、反応前後の各物質の量をカウント値、すなわち数(整数)として捉え、生化学反応による物質の変化量をシミュレーションしているので、物質カウンタC11の数を増加するだけでシミュレーションに使用する物質の種類を増加させることができる。また、未知の生化学反応が新たにわかった場合、病体等によりある生化学反応が欠損している場合及び野生種のために生化学反応が通常と異なる場合でも、新たな生化学反応、欠損した生化学反応及び通常と異なる生化学反応に応じて接続切り換え回路SWにより反応実行回路H1〜Hnとカウンタ部C1〜Cmの物質カウンタC11との接続状態を変更等することにより容易に対処することができる。   In this way, the amount of each substance before and after the reaction is regarded as a count value, that is, a number (integer), and the amount of change in the substance due to the biochemical reaction is simulated. The types of substances used can be increased. In addition, even when an unknown biochemical reaction is newly found, a new biochemical reaction or deficiency is detected even if a biochemical reaction is deficient due to a disease etc. It can be easily dealt with by changing the connection state between the reaction execution circuits H1 to Hn and the substance counter C11 of the counter units C1 to Cm by the connection switching circuit SW according to the biochemical reaction performed and the biochemical reaction different from the normal one. Can do.

また、上記のシミュレーション中に、物質カウンタC11から記憶装置C12へのデータ転送を指示する転送制御信号が時刻を表すアドレスとともに所定のタイミングで外部から順次入力され、各カウンタ部C1〜Cmの転送制御部C13は、物質カウンタC11のカウント値を記憶装置C12の転送制御信号が入力された時刻を表すアドレスに順次記憶させる。その後、シミュレーション動作を停止させ、シミュレーションをある特定の時点から再開する場合、当該時刻を表すアドレスとともに記憶装置C12から物質カウンタC11へのデータ転送を指示する転送制御信号をカウンタ部C1〜Cmへ入力すると、各カウンタ部の転送制御部C13は、記憶装置C12の指定されたアドレスのデータを物質カウンタC11のカウント値として入れ替える。   Further, during the above simulation, a transfer control signal instructing data transfer from the substance counter C11 to the storage device C12 is sequentially input from the outside at a predetermined timing together with an address indicating time, and transfer control of each counter unit C1 to Cm is performed. The unit C13 sequentially stores the count value of the substance counter C11 at an address indicating the time when the transfer control signal of the storage device C12 is input. Thereafter, when the simulation operation is stopped and the simulation is restarted from a specific time point, a transfer control signal for instructing data transfer from the storage device C12 to the substance counter C11 is input to the counter units C1 to Cm together with an address indicating the time. Then, the transfer control unit C13 of each counter unit replaces the data at the designated address in the storage device C12 as the count value of the substance counter C11.

このように、カウンタ部C1〜Cmの物質カウンタC11のカウント値を記憶する記憶装置C12が物質カウンタC11ごとに設けられているので、物質カウンタC11のカウント値を記憶装置C12に適宜記憶させ、必要に応じて記憶装置C12に記憶させているカウント値を物質カウンタC11に再度設定することができ、シミュレーション対象が大規模な場合でも、シミュレーションデータを高速に設定することができる。   As described above, since the storage device C12 that stores the count value of the material counter C11 of the counter units C1 to Cm is provided for each material counter C11, the count value of the material counter C11 is appropriately stored in the storage device C12. Accordingly, the count value stored in the storage device C12 can be set again in the substance counter C11, and simulation data can be set at high speed even when the simulation target is large.

なお、本実施の形態では、すべてのカウンタ部C1〜Cmにおいて物質カウンタC11のカウント値を記憶装置C12に記憶しているが、この例に特に限定されず、一部のカウンタ部においてのみカウント値を記憶するようにしてもよく、また、記憶装置C12に記憶するカウント値も複数記憶することなく、所定の値を一つのみ記憶するようにしてもよい。   In the present embodiment, the count value of the substance counter C11 is stored in the storage device C12 in all the counter units C1 to Cm. However, the present invention is not particularly limited to this example, and the count value is only in a part of the counter units. May be stored, or only one predetermined value may be stored without storing a plurality of count values stored in the storage device C12.

図3は、図1に示すカウンタ部C1〜Cmとして使用可能な他のカウンタ部C1aの構成を示すブロック図である。図3に示すカウンタ部C1aと図2に示すカウンタ部C1とで異なる点は、データ値範囲保持装置C14及び比較器C15が追加され、比較器C15が出力する転送制御信号に応じて転送制御部C13aが動作する点であり、その他の点は図2に示すカウンタ部C1と同様であるので詳細な説明は省略する。   FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of another counter unit C1a that can be used as the counter units C1 to Cm shown in FIG. The difference between the counter unit C1a shown in FIG. 3 and the counter unit C1 shown in FIG. 2 is that a data value range holding device C14 and a comparator C15 are added, and the transfer control unit is in accordance with the transfer control signal output by the comparator C15. The other points are the same as those of the counter unit C1 shown in FIG.

データ値範囲保持装置C14は、所定のメモリ又はレジスタ等から構成され、物質カウンタC11のデータ値範囲として、その最大値及び最小値を予め記憶している。比較器C15は、データ値範囲保持装置C14が保持している最大値及び最小値と物質カウンタC11のカウント値とを比較し、データ値範囲保持装置C14が保持している最大値と最小値との間に物質カウンタC11のカウント値が入っているか否かを判断する。例えば、化学反応シミュレーションを行い、ある現象の再現を試みる場合、対象とする現象において各物質カウンタC11がシミュレーションしている物質の量は判明しているため、最大値と最小値とをデータ値範囲として設定することにより効率的なシミュレーションを行うことができる。また、ある物質と他の物質との関係がある程度わかっている場合に、他の物質をシミュレーションしている物質カウンタC11のカウント値との関係を記述することができる。   The data value range holding device C14 includes a predetermined memory or a register, and stores the maximum value and the minimum value in advance as the data value range of the substance counter C11. The comparator C15 compares the maximum value and the minimum value held by the data value range holding device C14 with the count value of the substance counter C11, and compares the maximum value and the minimum value held by the data value range holding device C14. It is determined whether or not the count value of the substance counter C11 is entered during the period. For example, when a chemical reaction simulation is performed to try to reproduce a certain phenomenon, the amount of the substance that each substance counter C11 is simulating in the target phenomenon is known. By setting as, efficient simulation can be performed. Further, when the relationship between a certain substance and another substance is known to some extent, the relation with the count value of the substance counter C11 that simulates another substance can be described.

ここで、最大値と最小値との間にカウント値が入っていない場合、比較器C15は、記憶装置C12が記憶している複数のカウント値の中から所定のカウント値を物質カウンタC11に代入するように指示する転送制御信号を転送制御部C13aへ出力する。転送制御部C13aは、指定された記憶装置C12のカウント値を物質カウンタC11のカウント値として入れ替える。本例では、転送制御部C13aが転送制御回路の一例に相当し、データ値範囲保持装置C14及び比較器C15が判断回路の一例に相当する。   Here, when there is no count value between the maximum value and the minimum value, the comparator C15 substitutes a predetermined count value among the plurality of count values stored in the storage device C12 for the substance counter C11. A transfer control signal instructing to do so is output to the transfer control unit C13a. The transfer control unit C13a replaces the count value of the designated storage device C12 as the count value of the substance counter C11. In this example, the transfer control unit C13a corresponds to an example of a transfer control circuit, and the data value range holding device C14 and the comparator C15 correspond to an example of a determination circuit.

例えば、任意の時刻T1において、物質カウンタC11のカウント値を記憶装置C12に記憶させ、その後、複数のパラメータセット1〜Nを用いてシミュレーションを時刻T2まで実行する。次に、時刻T2において、パラメータセット3以外のパラメータセットを用いたシミュレーションにおいて特定の化学物質の量が想定されるデータ値範囲内になくなった場合、パラメータセット3以外のパレメータセットが間違っていることがわかる。したがって、時刻T1において記憶装置C12に記憶させたカウント値を物質カウンタC11に設定し、別のパラメータセットを用いて時刻T1からのシミュレーションを再開することができる。このように、シミュレーションを最後まで実行するのではなく、シミュレーションに使用されるパラメータの値を絞りながら効率よくシミュレーションを実行することができ、シミュレーション時間を大幅に短縮することができる。   For example, at an arbitrary time T1, the count value of the substance counter C11 is stored in the storage device C12, and then the simulation is executed using the plurality of parameter sets 1 to N until the time T2. Next, when the amount of the specific chemical substance is not within the assumed data value range in the simulation using the parameter set other than the parameter set 3 at time T2, the parameter set other than the parameter set 3 is incorrect. I understand that. Therefore, the count value stored in the storage device C12 at the time T1 can be set in the substance counter C11, and the simulation from the time T1 can be resumed using another parameter set. Thus, instead of executing the simulation to the end, it is possible to efficiently execute the simulation while narrowing down the parameter values used for the simulation, and the simulation time can be greatly shortened.

図4は、図1に示すハードウエアシミュレータによるシミュレーションの例を説明するための模式図である。図4に示す例は、glucose(グルコース)を分解する代謝過程であるGlycolysis(解糖)を示しており、hexokinase(ヘキソキナーゼ)が酵素となり、glucose及びATP(アデノシン三リン酸)からglucose6P(グルコース−6−リン酸)、ADP(アデノシン二リン酸)及びH+ が生成される。 FIG. 4 is a schematic diagram for explaining an example of simulation by the hardware simulator shown in FIG. The example shown in FIG. 4 shows Glycolysis (glycolysis) which is a metabolic process for degrading glucose (glucose). Hexokinase (hexokinase) becomes an enzyme, and glucose 6P (glucose-P) is converted from glucose and ATP (adenosine triphosphate). 6-phosphate), ADP (adenosine diphosphate) and H + are produced.

この例では、まず、乱数発生器Rから所定の乱数が絞り回路Vへ入力される。このとき、酵素カウンタKには、hexokinaseの分子数がそのカウント値として設定され、hexokinaseの分子数に応じて絞り回路Vの出力が絞られ、乱数発生器Rの乱数及びhexokinaseの分子数に応じて反応実行回路HによるGlycolysisの実行及び不実行が制御される。   In this example, first, a predetermined random number is input from the random number generator R to the aperture circuit V. At this time, the number of hexokinase molecules is set as the count value in the enzyme counter K, the output of the squeezing circuit V is squeezed according to the number of hexokinase molecules, and according to the random number of the random number generator R and the number of hexokinase molecules. Thus, execution and non-execution of Glycolysis by the reaction execution circuit H are controlled.

反応実行回路Hは、反応前の物質であるglucose及びATPの分子数を表す物質カウンタC11a,C11bと、反応後の物質であるglucose6P、ADP及びH+ の分子数又は原子数を表す物質カウンタC11c,C11d,C11eとに接続切り換え回路(図示省略)により接続されている。 The reaction execution circuit H includes substance counters C11a and C11b that represent the number of molecules of glucose and ATP that are substances before the reaction, and a substance counter C11c that represents the number of molecules or atoms of glucose 6P, ADP, and H + that are substances after the reaction. , C11d, and C11e are connected by a connection switching circuit (not shown).

反応実行回路Hは、絞り回路Vを介して出力されるデータが“1”、すなわち反応を実行する場合、物質カウンタC11a,C11bにそのカウント値を1だけ減少するように指示するとともに、物質カウンタC11c,C11d,C11eにそのカウント値を1だけ増加するように指示し、物質カウンタC11a,C11bは、1だけカウント値を減少させ、物質カウンタC11c,C11d,C11eは、1だけカウント値を増加させる。   The reaction execution circuit H instructs the substance counters C11a and C11b to decrease the count value by 1 when the data output through the aperture circuit V is “1”, that is, when the reaction is executed. C11c, C11d, and C11e are instructed to increase the count value by 1, the material counters C11a and C11b decrease the count value by 1, and the material counters C11c, C11d, and C11e increase the count value by 1. .

このようにして、図1に示すハードウエアシミュレータを用い、hexokinaseを酵素としてglucose及びATPからglucose6P、ADP及びH+ を生成するGlycolysisによる各物質の変化量をシミュレーションすることができる。 In this manner, using the hardware simulator shown in FIG. 1, the amount of change of each substance due to Glycolysis that generates glucose 6P, ADP, and H + from glucose and ATP can be simulated using hexokinase as an enzyme.

このとき、時刻T1において、各物質カウンタC11a〜C11eから各記憶装置C12a〜C12eへのデータ転送を指示する転送制御信号が外部から転送制御部(図示省略)に入力され、各物質カウンタC11a〜C11eのカウント値A〜Eが各記憶装置C12a〜C12eに記憶される。その後、時刻T1からシミュレーションを再開する場合、各記憶装置C12a〜C12eから各物質カウンタC11a〜C11eへのデータ転送を指示する転送制御信号が転送制御部に入力され、各記憶装置C12a〜C12eに記憶されているカウント値A〜Eが各物質カウンタC11a〜C11eに設定され、時刻T1からシミュレーションを再開することができる。   At this time, at time T1, a transfer control signal instructing data transfer from each of the substance counters C11a to C11e to each of the storage devices C12a to C12e is input from the outside to a transfer control unit (not shown), and each of the substance counters C11a to C11e Count values A to E are stored in the storage devices C12a to C12e. Thereafter, when the simulation is restarted from time T1, a transfer control signal instructing data transfer from each of the storage devices C12a to C12e to each of the substance counters C11a to C11e is input to the transfer control unit and stored in each of the storage devices C12a to C12e. The counted values A to E are set in the substance counters C11a to C11e, and the simulation can be restarted from time T1.

次に、細胞内の各物質の濃度勾配を考慮して細胞内の生化学反応をシミュレーションする場合について説明する。図5は、細胞内の各物質の濃度勾配を考慮して細胞内の生化学反応をシミュレーションする方法を説明するための模式図である。   Next, a case where a biochemical reaction in a cell is simulated in consideration of a concentration gradient of each substance in the cell will be described. FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a method of simulating a biochemical reaction in a cell in consideration of a concentration gradient of each substance in the cell.

図5に示すように、細胞内の生化学反応をシミュレーションする場合、一つの細胞を複数のセルCEに空間分割し、セルCEごとに物質の量を保持させ、セルラーオートマトンにより各物質の濃度勾配をシミュレーションする。すなわち、対象とするセル内の各物質の濃度(量)と近傍の6個のセル内の物質の濃度(量)とからセル間での各物質の拡散をシミュレーションする。   As shown in FIG. 5, when simulating a biochemical reaction in a cell, one cell is divided into a plurality of cells CE, the amount of the substance is held for each cell CE, and the concentration gradient of each substance is obtained by a cellular automaton. To simulate. That is, the diffusion of each substance between cells is simulated from the concentration (amount) of each substance in the target cell and the concentrations (amounts) of substances in the six neighboring cells.

例えば、隣接する2つのセルC1,C2に、濃度の異なる物質1、物質2及び物質3がそれぞれ含まれている場合、セルC1,C2間では、濃度の高い方から低い方へ各物質が拡散し、このセル間での拡散を以下のようにしてシミュレーションすることができる。   For example, when two adjacent cells C1 and C2 contain substances 1, 2 and 3 having different concentrations, each substance diffuses from the higher concentration to the lower cell C1 and C2. The diffusion between the cells can be simulated as follows.

図6は、図5に示す2つのセルにおける物質の拡散をシミュレーションする場合のハードウエアシミュレータの構成を示すブロック図である。図6に示すハードウエアシミュレータは、セルC1用のハードウエアシミュレータCB1、セルC2用のハードウエアシミュレータCB2及び拡散回路KCを備える。   FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a hardware simulator in the case of simulating the diffusion of substances in the two cells shown in FIG. The hardware simulator shown in FIG. 6 includes a hardware simulator CB1 for the cell C1, a hardware simulator CB2 for the cell C2, and a diffusion circuit KC.

図6に示すハードウエアシミュレータCB1内の物質カウンタC111〜C113の各カウント値は、セルC1内の物質1〜物質3の分子数又は原子数を表し、ハードウエアシミュレータCB2内の物質カウンタC111’〜C113’の各カウント値は、セルC2内の物質1〜物質3の分子数又は原子数を表し、各物質カウンタC111〜C113,C111’〜C113’は、拡散回路KCを介して接続されている。   Each count value of the substance counters C111 to C113 in the hardware simulator CB1 shown in FIG. 6 represents the number of molecules or atoms of the substances 1 to 3 in the cell C1, and the substance counters C111 ′ to C111 ′ in the hardware simulator CB2 Each count value of C113 ′ represents the number of molecules or atoms of the substances 1 to 3 in the cell C2, and the substance counters C111 to C113 and C111 ′ to C113 ′ are connected via the diffusion circuit KC. .

拡散回路KCは、物質カウンタC111〜C113,C111’〜C113’のカウント値、すなわち各物質の分子数又は原子数に応じて各物質が拡散するように、物質カウンタC111〜C113,C111’〜C113’のカウント値を制御する。例えば、物質カウンタC111のカウント値が物質カウンタC111’のカウント値より大きい場合、平衡状態になるまで、所定の拡散速度に従い、物質カウンタC111のカウント値を順次減少させるとともに、これに対応させて物質カウンタC111’のカウント値を順次増加させる。   The diffusion circuit KC includes substance counters C111 to C113 and C111 ′ to C113 so that each substance diffuses according to the count values of the substance counters C111 to C113 and C111 ′ to C113 ′, that is, the number of molecules or atoms of each substance. Control the count value of '. For example, when the count value of the substance counter C111 is larger than the count value of the substance counter C111 ′, the count value of the substance counter C111 is sequentially decreased according to a predetermined diffusion rate until the equilibrium state is reached, and the substance is made corresponding to this. The count value of the counter C111 ′ is sequentially increased.

なお、図6では、セルC1,C2用のハードウエアシミュレータCB1,CB2において物質カウンタC111〜C113、C111’〜C113’及び記憶装置C121〜C123、C121’〜C123’のみを図示しているが、各ハードウエアシミュレータCB1,CB2も、図1に示すハードウエアシミュレータと同様に構成され、乱数発生器、酵素カウンタ、絞り回路、反応実行回路、接続切り換え回路及び転送制御部(図示省略)を有している。したがって、ハードウエアシミュレータCB1,CB2も、図1に示すハードウエアシミュレータと同様に動作し、各セルC1,C2ごとに内部の生化学反応がシミュレーションされ、転送制御信号に応じて、物質カウンタC111〜C113,C111’〜C113’のカウント値が記憶装置C121〜C123、C121’〜C123’に記憶されるとともに、記憶装置C121〜C123、C121’〜C123’に記憶されているカウント値が物質カウンタC111〜C113,C111’〜C113’に設定される。   In FIG. 6, only the material counters C111 to C113, C111 ′ to C113 ′ and the storage devices C121 to C123 and C121 ′ to C123 ′ are illustrated in the hardware simulators CB1 and CB2 for the cells C1 and C2. The hardware simulators CB1 and CB2 are also configured in the same manner as the hardware simulator shown in FIG. 1, and have a random number generator, an enzyme counter, a throttling circuit, a reaction execution circuit, a connection switching circuit, and a transfer control unit (not shown). ing. Therefore, the hardware simulators CB1 and CB2 also operate in the same manner as the hardware simulator shown in FIG. 1, the internal biochemical reaction is simulated for each of the cells C1 and C2, and the material counters C111 to C111 are controlled according to the transfer control signal. The count values of C113, C111 ′ to C113 ′ are stored in the storage devices C121 to C123 and C121 ′ to C123 ′, and the count values stored in the storage devices C121 to C123 and C121 ′ to C123 ′ are the substance counter C111. To C113 and C111 ′ to C113 ′.

上記のように、細胞を複数のセルに分割し、セルごとに生化学反応による物質の変化量をシミュレーションするとともに、隣接するセル間での各物質の拡散をシミュレーションすることにより、細胞内の各物質の濃度勾配を考慮して細胞内の物質の変化量をシミュレーションすることができるとともに、物質カウンタのカウント値を記憶装置に適宜記憶させ、必要に応じて記憶装置に記憶させているカウント値を物質カウンタに再度設定することができる。   As described above, the cell is divided into a plurality of cells, and the amount of change of the substance due to the biochemical reaction is simulated for each cell, and each substance in the cell is simulated by simulating the diffusion of each substance between adjacent cells. The amount of change of the substance in the cell can be simulated in consideration of the concentration gradient of the substance, and the count value of the substance counter is appropriately stored in the storage device, and the count value stored in the storage device is stored as necessary. The substance counter can be set again.

次に、多細胞の生化学反応をシミュレーションする場合について説明する。図7は、多細胞の生化学反応をシミュレーションする方法を説明するための概略図である。図7に示すように、図5と同様に各細胞を複数のセルCE(図中のハッチングのないセル)に分割するとともに、細胞間に存在する細胞壁を複数の細胞壁セルWC(図中のハッチングを施したセル)に分割する。この場合、各細胞内では、図5及び図6を用いて説明した細胞内のシミュレーションと同様に生化学反応がシミュレーションされる。   Next, a case where a multicellular biochemical reaction is simulated will be described. FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a method of simulating a multicellular biochemical reaction. As shown in FIG. 7, each cell is divided into a plurality of cells CE (cells without hatching in the figure) as in FIG. 5, and the cell wall existing between the cells is divided into a plurality of cell wall cells WC (hatching in the figure). Cell). In this case, in each cell, a biochemical reaction is simulated in the same manner as the intracellular simulation described with reference to FIGS.

また、細胞壁を表す細胞壁セルWCの部分は、例えば、拡散が起こらない、すなわち細胞間で物質が拡散しないものとしてシミュレーションを行ってもよく、また、細胞壁でもある程度の拡散が行われるとして、細胞内の細胞セルと同様に拡散回路を用いて拡散をシミュレーションしてもよい。   In addition, the portion of the cell wall cell WC that represents the cell wall may be simulated, for example, as diffusion does not occur, that is, the substance does not diffuse between cells. Similar to the cell cell, diffusion may be simulated using a diffusion circuit.

上記のように、各細胞を複数のセルに分割するとともに、細胞壁を複数の細胞壁セルに分割し、セルごとに生化学反応による物質の変化量をシミュレーションするとともに、細胞内で隣接するセル間の各物質の拡散等をシミュレーションすることにより、多細胞についても、その生化学反応を同様にシミュレーションし、物質カウンタのカウント値を記憶装置に適宜記憶させ、必要に応じて記憶装置に記憶させているカウント値を物質カウンタに再度設定することができる。   As described above, each cell is divided into a plurality of cells, the cell wall is divided into a plurality of cell wall cells, the amount of change of the substance due to the biochemical reaction is simulated for each cell, and between adjacent cells in the cell By simulating the diffusion of each substance, the biochemical reaction of multicells is similarly simulated, and the count value of the substance counter is appropriately stored in the storage device, and stored in the storage device as necessary. The count value can be set again in the substance counter.

次に、本発明の第2の実施の形態によるハードウエアシミュレータについて説明する。図8は、本発明の第2の実施の形態によるハードウエアシミュレータの構成を示すブロック図である。図8に示すハードウエアシミュレータと図1に示すハードウエアシミュレータとで異なる点は、データ値範囲保持装置DH、比較器CM、演算装置CD及び反応条件検出ネットワーク回路SNが付加された点であり、その他の点は図1に示すハードウエアシミュレータと同様であるので詳細な説明は省略する。なお、カウンタ部C1〜Cmは、図2に示すカウンタ部と同様に構成されている。   Next, a hardware simulator according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a hardware simulator according to the second embodiment of the present invention. The difference between the hardware simulator shown in FIG. 8 and the hardware simulator shown in FIG. 1 is that a data value range holding device DH, a comparator CM, a calculation device CD, and a reaction condition detection network circuit SN are added. Since the other points are the same as those of the hardware simulator shown in FIG. The counter units C1 to Cm are configured similarly to the counter unit shown in FIG.

カウンタ部C2〜Cmは、自身の物質カウンタC11(図2参照)のカウント値をネットワーク回路SNへ出力する。反応条件検出ネットワーク回路SNは、所定の論理回路等から構成され、カウンタ部C2〜Cmのカウント値を集計して所定の反応条件を満たしているか否かの判断を行い、反応条件を満たしていると判断した場合、反応可能信号を演算装置CDへ出力する。反応条件検出ネットワーク回路SNとして、例えば、平均経路長が短いというランダムネットワークの特徴とクラスター係数が大きいというレギュラーネットワークの特徴との双方を合わせ持つスモールワールドネットワークを用いることができるが、この例に特に限定されず、他のネットワークを用いてもよい。   The counter units C2 to Cm output the count value of their own substance counter C11 (see FIG. 2) to the network circuit SN. The reaction condition detection network circuit SN is composed of a predetermined logic circuit or the like, and counts the count values of the counter units C2 to Cm to determine whether or not the predetermined reaction condition is satisfied, thereby satisfying the reaction condition. If it is determined, the reaction enable signal is output to the arithmetic unit CD. As the reaction condition detection network circuit SN, for example, a small world network having both the characteristics of a random network with a short average path length and the characteristics of a regular network with a large cluster coefficient can be used. There is no limitation, and other networks may be used.

カウンタ部C1は、自身の物質カウンタC11のカウント値を演算装置CDへ出力する。演算装置CDは、反応条件検出ネットワーク回路SNから反応可能信号を受けた場合、カウンタ部C1のカウント値に対して所定の演算を行い、カウント値から演算された演算値を比較器CMへ出力する。なお、物質カウンタC11のカウント値をそのまま用いる場合は、演算装置CDは、物質カウンタC11のカウント値をそのまま比較器CMへ出力する。この場合、データ値範囲保持装置DHは、カウンタ部C1のカウント値のデータ値範囲を記憶している。   The counter unit C1 outputs the count value of its own substance counter C11 to the arithmetic device CD. When receiving a reaction enable signal from the reaction condition detection network circuit SN, the arithmetic device CD performs a predetermined calculation on the count value of the counter unit C1, and outputs the calculated value calculated from the count value to the comparator CM. . When the count value of the substance counter C11 is used as it is, the arithmetic device CD outputs the count value of the substance counter C11 as it is to the comparator CM. In this case, the data value range holding device DH stores the data value range of the count value of the counter unit C1.

データ値範囲保持装置DHは、カウンタ部C1のカウント値から演算された値のデータ値範囲として、その最大値及び最小値を予め記憶している。比較器CMは、データ値範囲保持装置DHが保持している最大値及び最小値と演算装置CDの演算値とを比較し、データ値範囲保持装置DHが保持している最大値と最小値との間に演算装置CDの演算値が入っているか否かを判断する。比較器CMは、最大値と最小値との間に演算値が入っていない場合、カウンタ部C1の記憶装置C12(図2参照)が記憶している複数のカウント値の中から所定のカウント値を物質カウンタC11に代入するように指示する転送制御信号を転送制御部C13(図2参照)へ出力する。転送制御部C13は、指定された記憶装置C12のカウント値を物質カウンタC11のカウント値として入れ替える。本実施の形態では、反応条件検出ネットワーク回路SNが第1判断回路の一例に相当し、演算装置CD、データ値範囲保持装置DH及び比較器CMが第2判断回路の一例に相当する。   The data value range holding device DH stores the maximum value and the minimum value in advance as a data value range of values calculated from the count value of the counter unit C1. The comparator CM compares the maximum value and the minimum value held by the data value range holding device DH with the calculated value of the calculation device CD, and determines the maximum value and the minimum value held by the data value range holding device DH. It is determined whether or not the operation value of the operation device CD is included in between. The comparator CM has a predetermined count value out of a plurality of count values stored in the storage device C12 (see FIG. 2) of the counter unit C1 when there is no calculated value between the maximum value and the minimum value. Is transferred to the transfer control unit C13 (see FIG. 2). The transfer control unit C13 replaces the designated count value of the storage device C12 as the count value of the substance counter C11. In the present embodiment, the reaction condition detection network circuit SN corresponds to an example of a first determination circuit, and the arithmetic device CD, the data value range holding device DH, and the comparator CM correspond to an example of a second determination circuit.

上記のように、本実施の形態では、カウンタ部C2〜Cmの物質量が所定の反応条件を満たすか否かを判断し、反応条件を満たす場合にカウンタ部C1のカウント値から演算された値が想定されるデータ値範囲内にあるか否かを判断し、データ値範囲内になくなった場合、記憶装置C12が記憶している所定時刻前のカウント値を物質カウンタC11に設定しているので、複数の物質が所定の条件を満たすことを条件としてある物質が反応を行う場合等の複雑な条件を考慮しながら、カウンタ部C1のカウント値から演算された値が想定されるデータ値範囲内になくなり、物質カウンタC11のカウント値がシミュレーション結果として不要な値になった場合等において、適正なカウント値を再度設定してシミュレーションを再開することができる。   As described above, in the present embodiment, it is determined whether or not the substance amounts of the counter units C2 to Cm satisfy a predetermined reaction condition, and a value calculated from the count value of the counter unit C1 when the reaction condition is satisfied. Is determined to be within the assumed data value range, and when the value is not within the data value range, the count value before the predetermined time stored in the storage device C12 is set in the substance counter C11. The value calculated from the count value of the counter unit C1 is within an assumed data value range while taking into account complicated conditions such as when a certain substance reacts on condition that a plurality of substances satisfy a predetermined condition. When the count value of the substance counter C11 becomes an unnecessary value as a simulation result, the simulation can be restarted by setting an appropriate count value again. Kill.

なお、本実施の形態では、カウンタ部C2〜Cmのカウント値から反応条件を満たしているか否かを判断したが、この例に特に限定されず、他のカウンタ部のカウント値から判断してもよく、また、カウント値が設定されるカウンタ部も、カウンタ部C1に特に限定されず、他のカウンタ部のカウント値を設定するようにしてもよい。   In the present embodiment, it is determined whether or not the reaction condition is satisfied from the count values of the counter units C2 to Cm. However, the present embodiment is not particularly limited to this example, and even if it is determined from the count values of other counter units. Also, the counter unit in which the count value is set is not particularly limited to the counter unit C1, and the count value of another counter unit may be set.

また、本発明が適用可能なハードウエアシミュレータは、上記の例に特に限定されず、所定のハードウエアから構成され、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーション対象物の変化量をシミュレーションするハードウエアシミュレータであれば、種々の分野に適用可能である。例えば、脳細胞及び神経回路網等の生物シミュレーション、遺伝子進化及び生物の個体進化シミュレーション、渡り鳥の移動等に関する生態系シミュレーション、移動物に関する交通システムシミュレーション、避難シミュレーション、数値流体シミュレーション、気象シミュレーション、ロジスティクスシミュレーション、電力供給シミュレーション、都市計画等に関する都市シミュレーション、企業間取引及び株式・先物取引等に関する経済システムシミュレーション、経営シミュレーション、電気回路及び集積回路等の電磁シミュレーション、半導体及び材料の電子レベルシミュレーションに適用することができる。   The hardware simulator to which the present invention is applicable is not particularly limited to the above example, and is a hardware simulator that is configured from predetermined hardware and that simulates the amount of change in the simulation target due to the reaction between the simulation targets. If it exists, it is applicable to various fields. For example, biological simulation of brain cells and neural networks, genetic evolution and individual evolution simulation of living organisms, ecosystem simulation for migratory bird movement, transportation system simulation for moving objects, evacuation simulation, numerical fluid simulation, weather simulation, logistics simulation , Power supply simulation, city simulation for city planning, etc., economic system simulation for business transactions and stock / future transactions, management simulation, electromagnetic simulation of electrical circuits and integrated circuits, electronic level simulation of semiconductors and materials Can do.

本発明の第1の実施の形態によるハードウエアシミュレータの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the hardware simulator by the 1st Embodiment of this invention. 図1に示すカウンタ部の一例の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of an example of the counter part shown in FIG. 図1に示すカウンタ部として使用可能な他のカウンタ部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the other counter part which can be used as a counter part shown in FIG. 図1に示すハードウエアシミュレータによるシミュレーションの例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the example of the simulation by the hardware simulator shown in FIG. 細胞内の各物質の濃度勾配を考慮して細胞内の生化学反応をシミュレーションする方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the method of simulating the biochemical reaction in a cell in consideration of the concentration gradient of each substance in a cell. 図5に示す2つのセルにおける物質の拡散をシミュレーションする場合のハードウエアシミュレータの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the hardware simulator in the case of simulating the spreading | diffusion of the substance in two cells shown in FIG. 多細胞の生化学反応をシミュレーションする方法を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the method of simulating the biochemical reaction of a multicell. 本発明の第2の実施の形態によるハードウエアシミュレータの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the hardware simulator by the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

R1〜Rn 乱数発生器
K1〜Kn 酵素カウンタ
V1〜Vn 絞り回路
H1〜Hn 反応実行回路
SW 接続切り換え回路
C1〜Cm,C1a カウンタ部
C11 物質カウンタ
C12 記憶装置
C13,C13a 転送制御部
C14,DH データ値範囲保持装置
C15,CM 比較器
CD 演算装置
SN 反応条件検出ネットワーク回路
R1-Rn Random number generator K1-Kn Enzyme counter V1-Vn Aperture circuit H1-Hn Reaction execution circuit SW Connection switching circuit C1-Cm, C1a Counter unit C11 Substance counter C12 Storage device C13, C13a Transfer control unit C14, DH Data value Range holding device C15, CM comparator CD arithmetic unit SN reaction condition detection network circuit

Claims (7)

所定のハードウエアから構成され、シミュレーション対象物間の反応によるシミュレーション対象物の変化量をシミュレーションするハードウエアシミュレータであって、
シミュレーション対象物ごとに設けられ、当該シミュレーション対象物に関する値を演算する複数の演算素子と、
前記シミュレーション対象物間の反応に応じて演算素子の値を変化させる反応回路と、
前記演算素子ごとに設けられ、前記演算素子が演算した値を記憶する複数の記憶装置とを備えることを特徴とするハードウエアシミュレータ。
A hardware simulator configured with predetermined hardware and simulating the amount of change of a simulation object due to a reaction between simulation objects,
A plurality of computing elements that are provided for each simulation target and calculate values related to the simulation target;
A reaction circuit that changes a value of an arithmetic element according to a reaction between the simulation objects;
A hardware simulator comprising a plurality of storage devices that are provided for each of the arithmetic elements and store values calculated by the arithmetic elements.
前記演算素子ごとに設けられ、前記演算素子の値を前記記憶装置へ転送するように前記演算素子を制御する転送制御回路をさらに備えることを特徴とする請求項1記載のハードウエアシミュレータ。   The hardware simulator according to claim 1, further comprising a transfer control circuit that is provided for each arithmetic element and controls the arithmetic element so as to transfer the value of the arithmetic element to the storage device. 前記記憶装置は、前記演算素子が演算した値を複数記憶し、
前記転送制御回路は、前記記憶装置が記憶している複数の値の中から一の値を前記演算素子に設定するように前記記憶装置を制御することを特徴とする請求項2記載のハードウエアシミュレータ。
The storage device stores a plurality of values calculated by the calculation element,
3. The hardware according to claim 2, wherein the transfer control circuit controls the storage device so as to set one value among the plurality of values stored in the storage device in the arithmetic element. Simulator.
前記演算素子が演算した値が所定の範囲内にあるか否かを判断する判断回路をさらに備えることを特徴とする請求項3記載のハードウエアシミュレータ。   4. The hardware simulator according to claim 3, further comprising a determination circuit that determines whether or not a value calculated by the arithmetic element is within a predetermined range. 前記判断回路は、前記演算素子が演算した値が所定の範囲内にないと判断した場合、前記記憶装置が記憶している複数の値の中から一の値を前記演算素子に設定するように前記転送制御回路を制御することを特徴とする請求項4記載のハードウエアシミュレータ。   When the determination circuit determines that the value calculated by the calculation element is not within a predetermined range, the determination circuit sets one value among the plurality of values stored in the storage device to the calculation element. 5. The hardware simulator according to claim 4, wherein the transfer control circuit is controlled. 前記複数の演算素子のうち所定の演算素子が演算した値が所定の条件を満たすか否かを判断する第1判断回路と、
前記第1判断回路により所定の条件を満たすと判断された場合に、前記複数の演算素子のうち所定の演算素子が演算した値に基づく値が所定の範囲内にあるか否かを判断する第2の判断回路とをさらに備えることを特徴とする請求項3記載のハードウエアシミュレータ。
A first determination circuit that determines whether or not a value calculated by a predetermined calculation element among the plurality of calculation elements satisfies a predetermined condition;
When the first determination circuit determines that a predetermined condition is satisfied, the first determination circuit determines whether a value based on a value calculated by a predetermined calculation element among the plurality of calculation elements is within a predetermined range. 4. The hardware simulator according to claim 3, further comprising: 2 determination circuits.
前記第2判断回路は、前記所定の演算素子が演算した値に基づく値が所定の範囲内にないと判断した場合、当該演算素子に対して設けられている記憶装置が記憶している複数の値の中から一の値を当該演算素子に設定するように前記転送制御回路を制御することを特徴とする請求項6記載のハードウエアシミュレータ。   When the second determination circuit determines that a value based on a value calculated by the predetermined calculation element is not within a predetermined range, the second determination circuit stores a plurality of storage devices provided for the calculation element. 7. The hardware simulator according to claim 6, wherein the transfer control circuit is controlled so as to set one value among the values to the arithmetic element.
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