Applikazzjonijiet għall-ipproċessar tad-dejta fid-dinja reali jeħtieġu sistemi tal-kompjuters kompatti, b'latenza baxxa u b'enerġija baxxa.B'kapaċitajiet ta 'kompjuters mmexxija mill-avvenimenti, arkitetturi newromorfiċi memristive ibridi komplementari tal-metall-ossidu-semikondutturi jipprovdu pedament ta' ħardwer ideali għal kompiti bħal dawn.Biex nuru l-potenzjal sħiħ ta 'sistemi bħal dawn, nipproponu u nuru b'mod sperimentali soluzzjoni komprensiva għall-ipproċessar tas-sensuri għal applikazzjonijiet ta' lokalizzazzjoni ta 'oġġetti fid-dinja reali.Niġbdu l-ispirazzjoni min-newroanatomija tal-barn owl, żviluppajna sistema ta 'lokalizzazzjoni ta' oġġetti bijoinspirata u mmexxija mill-avvenimenti li tgħaqqad transducer mikromekkaniku pjeżoelettriku ta 'l-aħħar teknoloġija ma' memorja reżistiva newromorfika bbażata fuq graff komputazzjonali.Aħna nuru kejl ta 'sistema fabbrikata li tinkludi ditekter ta' koinċidenza reżistenti bbażat fuq il-memorja, ċirkwiti tal-linja ta 'dewmien, u transducer ultrasoniku kompletament customizable.Aħna nużaw dawn ir-riżultati sperimentali biex nikkalibraw simulazzjonijiet fil-livell tas-sistema.Dawn is-simulazzjonijiet imbagħad jintużaw biex jevalwaw ir-riżoluzzjoni angolari u l-effiċjenza enerġetika tal-mudell tal-lokalizzazzjoni tal-oġġett.Ir-riżultati juru li l-approċċ tagħna jista 'jkun bosta ordnijiet ta' kobor aktar effiċjenti fl-enerġija minn mikrokontrolluri li jwettqu l-istess kompitu.
Qed nidħlu f'era ta' kompjuters kullimkien fejn in-numru ta' apparati u sistemi skjerati qed jikber b'mod esponenzjali biex jgħinuna fil-ħajja tagħna ta' kuljum.Dawn is-sistemi huma mistennija li jaħdmu kontinwament, jikkunsmaw l-inqas enerġija possibbli filwaqt li jitgħallmu jinterpretaw id-dejta li jiġbru minn sensers multipli f'ħin reali u jipproduċu output binarju bħala riżultat ta 'kompiti ta' klassifikazzjoni jew rikonoxximent.Wieħed mill-aktar passi importanti meħtieġa biex jintlaħaq dan l-għan huwa l-estrazzjoni ta 'informazzjoni utli u kompatta minn dejta sensorja storbjuża u ta' spiss mhux kompluta.Approċċi ta 'inġinerija konvenzjonali tipikament kampjun tas-sinjali tas-sensuri b'rata kostanti u għolja, li jiġġeneraw ammonti kbar ta' data anke fin-nuqqas ta 'inputs utli.Barra minn hekk, dawn il-metodi jużaw tekniki kumplessi tal-ipproċessar tas-sinjali diġitali biex jipproċessaw minn qabel id-dejta tal-input (spiss storbjuża).Minflok, il-bijoloġija toffri soluzzjonijiet alternattivi għall-ipproċessar tad-dejta sensorja storbjuża bl-użu ta’ approċċi (spikes) effiċjenti fl-enerġija, asinkroniċi u mmexxija mill-avvenimenti (spikes)2,3.L-informatika newromorfika tieħu ispirazzjoni minn sistemi bijoloġiċi biex tnaqqas l-ispejjeż tal-komputazzjoni f'termini ta 'rekwiżiti tal-enerġija u tal-memorja meta mqabbla mal-metodi tradizzjonali tal-ipproċessar tas-sinjali4,5,6.Riċentement, intwerew sistemi innovattivi ta 'skop ġenerali bbażati fuq il-moħħ li jimplimentaw netwerks newrali ta' impuls (TrueNorth7, BrainScaleS8, DYNAP-SE9, Loihi10, Spinnaker11).Dawn il-proċessuri jipprovdu enerġija baxxa, soluzzjonijiet ta 'latenza baxxa għat-tagħlim tal-magni u l-immudellar taċ-ċirkwit kortikali.Biex jisfruttaw bis-sħiħ l-effiċjenza enerġetika tagħhom, dawn il-proċessuri newromorfiċi għandhom ikunu konnessi direttament ma 'sensors mmexxija mill-avvenimenti12,13.Madankollu, illum hemm biss ftit apparati touch li jipprovdu direttament data mmexxija mill-avvenimenti.Eżempji prominenti huma sensuri viżwali dinamiċi (DVS) għal applikazzjonijiet tal-viżjoni bħall-intraċċar u l-intraċċar tal-moviment14,15,16,17 is-silikon cochlea18 u sensuri awditorji newromorfiċi (NAS)19 għall-ipproċessar tas-sinjali tas-smigħ, sensuri tax-xamm20 u bosta eżempji21,22 tal-mess..sensuri tan-nisġa.
F'dan id-dokument, aħna nippreżentaw sistema ta 'proċessar tas-smigħ mmexxija mill-avvenimenti żviluppata ġdida applikata għall-lokalizzazzjoni tal-oġġett.Hawnhekk, għall-ewwel darba, niddeskrivu sistema minn tarf sa tarf għall-lokalizzazzjoni ta 'oġġetti miksuba billi tgħaqqad transducer ultrasoniku micromachined pjeżoelettriku tal-aħħar (pMUT) ma' graff komputazzjonali bbażat fuq memorja reżistiva newromorfika (RRAM).Arkitetturi tal-kompjuters fil-memorja li jużaw RRAM huma soluzzjoni promettenti għat-tnaqqis tal-konsum tal-enerġija23,24,25,26,27,28,29.In-nonvolatilità inerenti tagħhom—li ma teħtieġx konsum ta 'enerġija attiva biex taħżen jew taġġorna l-informazzjoni—hija perfettament man-natura asinkronika, mmexxija mill-avvenimenti tal-kompjuters newromorfiċi, li tirriżulta f'konsum ta' enerġija kważi l-ebda meta s-sistema tkun idle.Transducers ultrasoniċi micromachined pjeżoelettriċi (pMUTs) huma transducers ultrasoniċi rħas, minjaturizzati bbażati fuq is-silikon li kapaċi jaġixxu bħala trasmettituri u riċevituri30,31,32,33,34.Biex tipproċessa s-sinjali riċevuti mis-sensors integrati, ġibna l-ispirazzjoni min-newroatomija tal-barn owl35,36,37.Il-kokka Tyto alba hija magħrufa għall-abbiltajiet notevoli tagħha ta’ kaċċa bil-lejl grazzi għal sistema ta’ lokalizzazzjoni tas-smigħ effiċjenti ħafna.Biex tikkalkula l-post tal-priża, is-sistema ta 'lokalizzazzjoni tal-kokka tikkodifika l-ħin tat-titjira (ToF) meta l-mewġ tal-ħoss mill-priża jilħaq kull widnejn jew riċetturi tal-ħoss tal-kokka.Minħabba d-distanza bejn il-widnejn, id-differenza bejn iż-żewġ kejl ToF (Interaural Time Difference, ITD) tagħmilha possibbli li tiġi kkalkulata b'mod analitiku l-pożizzjoni tal-ażimut tal-mira.Għalkemm is-sistemi bijoloġiċi ma tantx huma adattati biex isolvu l-ekwazzjonijiet alġebrin, jistgħu jsolvu problemi ta 'lokalizzazzjoni b'mod effettiv ħafna.Is-sistema nervuża barn owl tuża sett ta 'koinċidenza detector (CD)35 newroni (jiġifieri, newroni kapaċi li jikxfu korrelazzjonijiet temporali bejn spikes li jippropagaw 'l isfel għal truf eċċitatorji konverġenti)38,39 organizzati fi graffs komputazzjonali biex isolvu problemi ta' pożizzjonament.
Riċerka preċedenti wriet li l-ħardwer kumplimentari tal-metall-ossidu-semikondutturi (CMOS) u l-ħardwer newromorfiku bbażat fuq RRAM ispirat mill-kollikulu inferjuri ("kortiċi awditorji") tal-barn owl huwa metodu effiċjenti għall-kalkolu tal-pożizzjoni bl-użu ta 'ITD13, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46. Madankollu, il-potenzjal ta 'sistemi newromorfiċi kompluti li jgħaqqdu indikazzjonijiet tas-smigħ ma' graffs komputazzjonali newromorfiċi għad irid jintwera.Il-problema ewlenija hija l-varjabbiltà inerenti taċ-ċirkwiti CMOS analogi, li taffettwa l-eżattezza tas-sejbien tal-logħba.Riċentement, intwerew implimentazzjonijiet numeriċi alternattivi tal-istimi tal-ITD47.F'dan id-dokument, nipproponu li nużaw il-kapaċità ta 'RRAM biex tibdel il-valur tal-konduttanza b'mod mhux volatili biex tikkontrobattu l-varjabbiltà f'ċirkwiti analogi.Implimentajna sistema sperimentali li tikkonsisti f'membrana waħda li tittrasmetti pMUT li topera bi frekwenza ta '111.9 kHz, żewġ membrani li jirċievu pMUT (sensors) li jissimulaw widnejn tal-barn owl, u wieħed .Aħna kkaratterizzajna b'mod sperimentali s-sistema ta 'skoperta pMUT u l-graff ta' komputazzjoni ITD ibbażat fuq RRAM biex nittestjaw is-sistema ta 'lokalizzazzjoni tagħna u nevalwaw ir-riżoluzzjoni angolari tagħha.
Aħna nqabblu l-metodu tagħna ma 'implimentazzjoni diġitali fuq mikrokontrollur li jwettaq l-istess kompitu ta' lokalizzazzjoni bl-użu ta 'beamforming konvenzjonali jew metodi newromorfiċi, kif ukoll firxa ta' gate programmable fuq il-post (FPGA) għal stima ITD proposta fir-referenza.47. Dan it-tqabbil jenfasizza l-effiċjenza tal-enerġija kompetittiva tas-sistema newromorfika analoga bbażata fuq RRAM proposta.
Wieħed mill-eżempji l-aktar impressjonanti ta 'sistema ta' lokalizzazzjoni ta 'oġġetti preċiża u effiċjenti jista' jinstab fil-barn owl35,37,48.Fl-għabex u s-sebħ, il-kokka (Tyto Alba) tiddependi primarjament fuq is-smigħ passiv, billi tfittex b'mod attiv priża żgħira bħal voles jew ġrieden.Dawn l-esperti tas-smigħ jistgħu jillokalizzaw sinjali tas-smigħ mill-priża b'eżattezza tal-għaġeb (madwar 2 °)35, kif muri fil-Fig. 1a.Il-kokki jiddeduċu l-post tas-sorsi tal-ħoss fil-pjan ażimut (orizzontali) mid-differenza fil-ħin tat-titjira li jidħol (ITD) mis-sors tal-ħoss għaż-żewġ widnejn.Il-mekkaniżmu komputazzjonali ITD ġie propost minn Jeffress49,50 li jiddependi fuq ġeometrija newrali u jeħtieġ żewġ komponenti ewlenin: axon, fibra tan-nervituri ta 'newron li taġixxi bħala linja ta' dewmien, u firxa ta 'newroni detector ta' koinċidenza organizzati f'sistema komputazzjonali.graff kif muri fil-Figura 1b.Il-ħoss jilħaq il-widna b'dewmien tal-ħin dipendenti fuq l-ażimut (ITD).Il-ħoss imbagħad jiġi kkonvertit f'mudell ta 'spike f'kull widna.L-axons tal-widnejn tax-xellug u tal-lemin jaġixxu bħala linji ta 'dewmien u jikkonverġu fuq in-newroni CD.Teoretikament, newron wieħed biss f'firxa ta 'newroni mqabbla se jirċievi input kull darba (fejn id-dewmien jikkanċella eżatt) u se jispara b'mod massimu (ċelluli ġirien se jisparaw ukoll, iżda bi frekwenza aktar baxxa).L-attivazzjoni ta 'ċerti newroni tikkodifika l-pożizzjoni tal-mira fl-ispazju mingħajr ma tkompli tikkonverti l-ITD għal angoli.Dan il-kunċett huwa miġbur fil-qosor fil-Figura 1c: pereżempju, jekk il-ħoss ikun ġej min-naħa tal-lemin meta s-sinjal tad-dħul mill-widna tal-lemin jivvjaġġa triq itwal mill-mogħdija mill-widna tax-xellug, li jikkumpensa għan-numru ta 'ITDs, pereżempju, meta newron 2 jaqbel.Fi kliem ieħor, kull CD jirrispondi għal ċertu ITD (magħruf ukoll bħala dewmien ottimali) minħabba dewmien assonali.Għalhekk, il-moħħ jikkonverti l-informazzjoni temporali f'informazzjoni spazjali.Instabet evidenza anatomika għal dan il-mekkaniżmu37,51.In-newroni makronukleu msakkra fil-fażi jaħżnu informazzjoni temporali dwar ħsejjes deħlin: kif jimplika isimhom, jisparaw fuq ċerti fażijiet tas-sinjali.In-newroni detector ta 'koinċidenza tal-mudell Jeffress jistgħu jinstabu fil-qalba laminari.Huma jirċievu informazzjoni minn newroni makronukleari, li l-axons tagħhom jaġixxu bħala linji ta 'dewmien.L-ammont ta 'dewmien ipprovdut mil-linja tad-dewmien jista' jiġi spjegat mit-tul tal-axon, kif ukoll mudell ieħor ta 'myelination li jibdel il-veloċità tal-konduzzjoni.Ispirati mis-sistema tas-smigħ tal-barn owl, żviluppajna sistema bijomimetika għall-lokalizzazzjoni ta 'oġġetti.Iż-żewġ widnejn huma rappreżentati minn żewġ riċevituri pMUT.Is-sors tal-ħoss huwa t-trasmettitur pMUT li jinsab bejniethom (Fig. 1a), u l-grafika komputazzjonali hija ffurmata minn grilja ta 'ċirkwiti CD bbażati fuq RRAM (Fig. 1b, aħdar), li għandhom ir-rwol ta' newroni CD li l-inputs tagħhom huma ttardjati.permezz taċ-ċirkwit, il-linji ta 'dewmien (blu) jaġixxu bħal axons fil-kontroparti bijoloġika.Is-sistema sensorja proposta tvarja fil-frekwenza operattiva minn dik tal-kokka, li s-sistema tas-smigħ tagħha topera fil-medda 1-8 kHz, iżda f'dan ix-xogħol jintużaw sensuri pMUT li joperaw f'madwar 117 kHz.L-għażla ta 'transducer ultrasoniku hija kkunsidrata skont kriterji tekniċi u ta' ottimizzazzjoni.L-ewwel, il-limitazzjoni tal-bandwidth ta 'riċeviment għal frekwenza waħda idealment ittejjeb l-eżattezza tal-kejl u tissimplifika l-pass ta' wara l-ipproċessar.Barra minn hekk, it-tħaddim fl-ultrasound għandu l-vantaġġ li l-impulsi emessi ma jinstemgħux, għalhekk ma jiddisturbawx lin-nies, peress li l-firxa tas-smigħ tagħhom hija ~ 20-20 kHz.
il-kokka jirċievi mewġ tal-ħoss minn mira, f'dan il-każ priża li tiċċaqlaq.Il-ħin tat-titjira (ToF) tal-mewġ tal-ħoss huwa differenti għal kull widna (sakemm il-priża ma tkunx direttament quddiem il-kokka).Il-linja bit-tikek turi t-triq li jieħdu l-mewġ tal-ħoss biex jilħqu l-widnejn tal-barn owl.Il-priża tista 'tiġi lokalizzata b'mod preċiż fil-pjan orizzontali bbażata fuq id-differenza fit-tul bejn iż-żewġ mogħdijiet akustiċi u d-differenza fil-ħin interawrali korrispondenti (ITD) (immaġni tax-xellug ispirata minn ref. 74, awtur 2002, Society for Neuroscience).Fis-sistema tagħna, it-trasmettitur pMUT (blu skur) jiġġenera mewġ tal-ħoss li jmur fuq il-mira.Mewġ ultrasound riflessi jiġu riċevuti minn żewġ riċevituri pMUT (aħdar ċar) u pproċessati mill-proċessur newromorfiku (lemin).b Mudell komputazzjonali ITD (Jeffress) li jiddeskrivi kif il-ħsejjes li jidħlu fil-widnejn tal-barn owl huma l-ewwel kodifikati bħala spikes phase-locked fin-nukleu kbir (NM) u mbagħad bl-użu ta 'grilja rranġata ġeometrikament ta' newroni detector mqabbla fin-nukleu lamellari.Ipproċessar (l-Olanda) (xellug).Illustrazzjoni ta 'grafika komputazzjonali neuroITD li tikkombina linji ta' dewmien u newroni detector koinċidenza, is-sistema tal-bijosensur tal-kokka tista 'tiġi mmudellata bl-użu ta' ċirkwiti newromorfiċi bbażati fuq RRAM (lemin).c Skematika tal-mekkaniżmu Jeffress ewlieni, minħabba d-differenza fit-ToF, iż-żewġ widnejn jirċievu stimuli tal-ħoss f'ħinijiet differenti u jibagħtu axons miż-żewġt itruf għad-ditekter.L-axons huma parti minn sensiela ta' newroni ta' detector ta' koinċidenza (CD), li kull wieħed minnhom jirrispondi b'mod selettiv għal inputs korrelatati ħafna mal-ħin.Bħala riżultat, CDs biss li l-inputs tagħhom jaslu bl-iżgħar differenza fil-ħin huma eċċitati massimu (ITD huwa eżattament ikkumpensat).Is-CD imbagħad se jikkodifika l-pożizzjoni angolari tal-mira.
Transducers ultrasoniċi mikromekkaniċi pjeżoelettriċi huma transducers ultrasoniċi skalabbli li jistgħu jiġu integrati ma 'teknoloġija CMOS avvanzata31,32,33,52 u għandhom vultaġġ inizjali aktar baxx u konsum ta' enerġija minn transducers volumetriċi tradizzjonali53.Fix-xogħol tagħna, id-dijametru tal-membrana huwa 880 µm, u l-frekwenza reżonanti hija mqassma fil-medda ta '110-117 kHz (Fig. 2a, ara Metodi għad-dettalji).F'lott ta 'għaxar apparati tat-test, il-fattur ta' kwalità medju kien ta 'madwar 50 (ref. 31).It-teknoloġija laħqet maturità industrijali u mhix bijoispirata fiha nnifisha.Il-kombinazzjoni ta 'informazzjoni minn films pMUT differenti hija teknika magħrufa sew, u informazzjoni dwar l-angoli tista' tinkiseb minn pMUTs billi tuża, pereżempju, tekniki ta 'formazzjoni ta' raġġi31,54.Madankollu, l-ipproċessar tas-sinjal meħtieġ biex tiġi estratta l-informazzjoni tal-angolu mhuwiex adattat għal kejl ta 'enerġija baxxa.Is-sistema proposta tgħaqqad iċ-ċirkwit ta 'preproċessar tad-dejta newromorfika pMUT ma' graff tal-kompjuters newromorfiku bbażat fuq RRAM ispirat mill-mudell Jeffress (Figura 2c), li jipprovdi soluzzjoni ta 'hardware alternattiva effiċjenti fl-enerġija u ristretta mir-riżorsi.Aħna wettaqna esperiment li fih żewġ sensors pMUT tqiegħdu bejn wieħed u ieħor 10 ċm 'il bogħod minn xulxin biex jisfruttaw il-ħsejjes ToF differenti riċevuti miż-żewġ membrani li jirċievu.PMUT wieħed li jaġixxi bħala trasmettitur joqgħod bejn ir-riċevituri.Il-mira kienet pjanċa tal-PVC 12 ċm wiesgħa, li tinsab f'distanza D quddiem l-apparat pMUT (Fig. 2b).Ir-riċevitur jirreġistra l-ħoss rifless mill-oġġett u jirreaġixxi kemm jista 'jkun matul il-mogħdija tal-mewġ tal-ħoss.Irrepeti l-esperiment billi tbiddel il-pożizzjoni tal-oġġett, iddeterminata mid-distanza D u l-angolu θ.Ispirat minn link.55, nipproponu pre-ipproċessar newromorfiku ta 'sinjali mhux ipproċessati pMUT biex jikkonvertu mewġ rifless f'qċaċet biex jiddaħħal graff komputazzjonali newromorfiku.It-ToF li jikkorrispondi għall-amplitudni tal-quċċata hija estratta minn kull wieħed miż-żewġ kanali u kkodifikata bħala l-ħin eżatt tal-qċaċet individwali.Fuq il-fig.2c juri ċ-ċirkwit meħtieġ biex jgħaqqad is-sensor pMUT b'graff komputazzjonali bbażat fuq RRAM: għal kull wieħed miż-żewġ riċevituri pMUT, is-sinjal mhux ipproċessat huwa ffiltrat b'pass tal-banda biex jillixxa, jirrettifika, u mbagħad mgħoddi lill-integratur leaky fil-mod ta 'superazzjoni.il-limitu dinamiku (Fig. 2d) joħloq avveniment tal-ħruġ (spike) u newron li jispara (LIF): il-ħin tal-punt tal-ħruġ jikkodifika l-ħin tat-titjir misjub.Il-limitu LIF huwa kkalibrat kontra r-rispons pMUT, u b'hekk titnaqqas il-varjabilità pMUT minn apparat għal apparat.B'dan l-approċċ, minflok ma naħżnu l-mewġa tal-ħoss kollha fil-memorja u nipproċessawha aktar tard, aħna sempliċement niġġeneraw quċċata li tikkorrispondi għat-ToF tal-mewġa tal-ħoss, li tifforma l-input għall-graff tal-komputazzjoni tal-memorja reżistenti.L-ispikes jintbagħtu direttament mal-linji ta 'dewmien u parallelizzati ma' moduli ta 'skoperta ta' taqbila fil-grafiċi tal-komputazzjoni newromorfika.Minħabba li jintbagħtu lill-gradi tat-transistors, l-ebda ċirkwit ta 'amplifikazzjoni addizzjonali ma huwa meħtieġ (ara Fig. 4 Supplimentari għad-dettalji).Biex tevalwa l-eżattezza angolari tal-lokalizzazzjoni pprovduta minn pMUT u l-metodu ta 'pproċessar tas-sinjali propost, aħna kejlna l-ITD (jiġifieri, id-differenza fil-ħin bejn l-avvenimenti tal-quċċata ġġenerati minn żewġ riċevituri) peress li d-distanza u l-angolu tal-oġġett varjaw.L-analiżi tal-ITD imbagħad ġiet ikkonvertita f'angoli (ara Metodi) u plottjat mal-pożizzjoni tal-oġġett: l-inċertezza fl-ITD imkejla żdiedet bid-distanza u l-angolu mal-oġġett (Fig. 2e, f).Il-problema ewlenija hija l-proporzjon peak-to-noise (PNR) fir-rispons pMUT.Aktar ma l-oġġett ikun 'il bogħod, iktar ikun baxx is-sinjal akustiku, u b'hekk jitnaqqas il-PNR (Fig. 2f, linja ħadra).Tnaqqis fil-PNR iwassal għal żieda fl-inċertezza fl-istima tal-ITD, li tirriżulta f'żieda fil-preċiżjoni tal-lokalizzazzjoni (Fig. 2f, linja blu).Għal oġġett f'distanza ta '50 ċm mit-trasmettitur, l-eżattezza angolari tas-sistema hija bejn wieħed u ieħor 10°.Din il-limitazzjoni imposta mill-karatteristiċi tas-sensor tista 'titjieb.Pereżempju, il-pressjoni mibgħuta mill-emittent tista 'tiżdied, u b'hekk tiżdied il-vultaġġ li jmexxi l-membrana pMUT.Soluzzjoni oħra biex jiġi amplifikat is-sinjal trażmess hija li tikkonnettja trasmettituri multipli 56. Dawn is-soluzzjonijiet iżidu l-firxa ta 'skoperta għad-detriment ta' żieda fl-ispejjeż tal-enerġija.Titjib addizzjonali jista' jsir min-naħa li tirċievi.L-art tal-istorbju tar-riċevitur tal-pMUT tista 'titnaqqas b'mod sinifikanti billi tittejjeb il-konnessjoni bejn il-pMUT u l-amplifikatur tal-ewwel stadju, li bħalissa qed isir b'konnessjonijiet tal-wajer u kejbils RJ45.
a Immaġni ta' kristall pMUT b'sitt membrani ta' 880 µm integrati f'pitch ta' 1.5 mm.b Dijagramma tas-setup tal-kejl.Il-mira tinsab fil-pożizzjoni tal-ażimut θ u f'distanza D. It-trasmettitur pMUT jiġġenera sinjal ta '117.6 kHz li jmur fuq il-mira u jilħaq żewġ riċevituri pMUT b'ħin ta' titjira (ToF) differenti.Din id-differenza, definita bħala d-differenza fil-ħin inter-awrali (ITD), tikkodifika l-pożizzjoni ta 'oġġett u tista' tiġi stmata billi tiġi stmata l-ogħla rispons taż-żewġ sensuri riċevituri.c Skematika tal-passi ta' qabel l-ipproċessar għall-konverżjoni tas-sinjal pMUT mhux ipproċessat f'sekwenzi ta' spike (jiġifieri input għall-graff tal-komputazzjoni newromorfika).Is-sensuri pMUT u l-graffs komputazzjonali newromorfiċi ġew iffabbrikati u ttestjati, u l-ipproċessar minn qabel newromorfiku huwa bbażat fuq simulazzjoni tas-softwer.d Rispons tal-membrana pMUT mal-wasla ta' sinjal u t-trasformazzjoni tagħha f'dominju ta' spike.e Preċiżjoni angolari tal-lokalizzazzjoni sperimentali bħala funzjoni tal-angolu tal-oġġett (Θ) u d-distanza (D) għall-oġġett fil-mira.Il-metodu ta' estrazzjoni ITD jeħtieġ riżoluzzjoni angolari minima ta' madwar 4°C.f Preċiżjoni angolari (linja blu) u proporzjon korrispondenti bejn il-quċċata u l-istorbju (linja ħadra) kontra d-distanza tal-oġġett għal Θ = 0.
Memorja reżistenti taħżen informazzjoni fi stat konduttiv mhux volatili.Il-prinċipju bażiku tal-metodu huwa li l-modifika tal-materjal fil-livell atomiku tikkawża bidla fil-konduttività elettrika tagħha57.Hawnhekk nużaw memorja reżistenti bbażata fuq l-ossidu li tikkonsisti f'saff ta '5nm ta' dijossidu tal-ħafnju imdawwar bejn elettrodi ta 'fuq u ta' isfel tat-titanju u tan-nitrur tat-titanju.Il-konduttività ta 'apparati RRAM tista' tinbidel billi tiġi applikata forma ta 'mewġa ta' kurrent / vultaġġ li toħloq jew tkisser filamenti konduttivi ta 'vakanzi ta' ossiġnu bejn l-elettrodi.Aħna kointegrajna tali apparati58 fi proċess standard CMOS ta '130 nm biex noħolqu ċirkwit newromorfiku fabbrikat li jista' jiġi rikonfigurat li jimplimenta detector ta 'koinċidenza u ċirkwit tal-linja ta' dewmien (Fig. 3a).In-natura mhux volatili u analoga tal-apparat, flimkien man-natura mmexxija mill-avveniment taċ-ċirkwit newromorfiku, timminimizza l-konsum tal-enerġija.Iċ-ċirkwit għandu funzjoni instant on/off: jopera immedjatament wara li jinxtegħel, li jippermetti li l-enerġija tintefa kompletament meta ċ-ċirkwit ikun idle.Il-blokki ewlenin tal-bini tal-iskema proposta huma murija fil-fig.3b.Tikkonsisti f'N strutturi paralleli ta' transistor wieħed b'reżistenza waħda (1T1R) li jikkodifikaw piżijiet sinaptiċi li minnhom jittieħdu l-kurrenti peżati, injettati fis-sinapsi komuni ta 'integratur ta' par differenzjali (DPI)59, u finalment injettat fis-sinapsi b'integrazzjoni u tnixxija.newron 60 attivat (LIF) (ara l-Metodi għad-dettalji).Iż-żidiet tad-dħul huma applikati għall-bieb tal-istruttura 1T1R fil-forma ta 'sekwenza ta' impulsi ta 'vultaġġ b'tul ta' żmien ta 'l-ordni ta' mijiet ta 'nanosekondi.Il-memorja reżistenti tista 'titqiegħed fi stat konduttiv għoli (HCS) billi tiġi applikata referenza pożittiva esterna għal Vtop meta Vbottom ikun ertjat, u reset għal stat konduttiv baxx (LCS) billi jiġi applikat vultaġġ pożittiv għal Vtop meta Vtop ikun ertjat.Il-valur medju ta 'HCS jista' jiġi kkontrollat billi tillimita l-kurrent ta 'programmar (konformità) tas-SET (ICC) mill-vultaġġ tas-sors tal-bieb tat-transistor tas-serje (Fig. 3c).Il-funzjonijiet ta 'RRAM fiċ-ċirkwit huma doppji: jidderieġu u jiżnu l-impulsi tad-dħul.
Immaġini tal-mikroskopju elettroniku tal-iskannjar (SEM) ta 'apparat blu HfO2 1T1R RRAM integrat f'teknoloġija CMOS ta' 130 nm bi transistors seletturi (650 nm wiesgħa) bl-aħdar.b Elementi bażiċi tal-iskema newromorfika proposta.L-impulsi tal-vultaġġ tad-dħul (il-qċaċet) Vin0 u Vin1 jikkunsmaw Iweight kurrenti, li huwa proporzjonali għall-istati tal-konduzzjoni G0 u G1 tal-istruttura 1T1R.Dan il-kurrent jiġi injettat fis-sinapsi DPI u jħeġġeġ in-newroni LIF.RRAM G0 u G1 huma installati f'HCS u LCS rispettivament.c Funzjoni ta 'densità ta' konduttanza kumulattiva għal grupp ta 'apparati 16K RRAM bħala funzjoni ta' tqabbil tal-kurrent ICC, li jikkontrolla b'mod effettiv il-livell ta 'konduzzjoni.d Kejl taċ-ċirkwit f'(a) li juri li G1 (fl-LCS) effettivament jimblokka l-input minn Vin1 (aħdar), u tabilħaqq il-vultaġġ tal-membrana tan-newron tal-ħruġ jirrispondi biss għall-input blu minn Vin0.RRAM jiddetermina b'mod effettiv il-konnessjonijiet fiċ-ċirkwit.e Kejl taċ-ċirkwit f'(b) li juri l-effett tal-valur tal-konduttanza G0 fuq il-vultaġġ tal-membrana Vmem wara li jiġi applikat polz ta' vultaġġ Vin0.Iktar ma jkun hemm konduttività, iktar tkun b'saħħitha r-rispons: għalhekk, l-apparat RRAM jimplimenta l-ippeżar tal-konnessjoni I/O.Sar kejl fuq iċ-ċirkwit u juri l-funzjoni doppja ta 'RRAM, rotta u piż tal-impulsi ta' input.
L-ewwel, peress li hemm żewġ stati bażiċi ta 'konduzzjoni (HCS u LCS), RRAMs jistgħu jimblokkaw jew jitilfu impulsi ta' input meta jkunu fl-istati LCS jew HCS, rispettivament.Bħala riżultat, RRAM jiddetermina b'mod effettiv il-konnessjonijiet fiċ-ċirkwit.Din hija l-bażi biex tkun tista 'tikkonfigura mill-ġdid l-arkitettura.Biex nuru dan, aħna se niddeskrivu implimentazzjoni ta 'ċirkwit iffabbrikat tal-blokka taċ-ċirkwit f'Fig. 3b.L-RRAM li tikkorrispondi għal G0 hija pprogrammata fl-HCS, u t-tieni RRAM G1 hija pprogrammata fl-LCS.L-impulsi tad-dħul huma applikati kemm għal Vin0 kif ukoll għal Vin1.L-effetti ta 'żewġ sekwenzi ta' impulsi ta 'input ġew analizzati fin-newroni tal-ħruġ billi jinġabru l-vultaġġ tal-membrana tan-newron u s-sinjal tal-ħruġ bl-użu ta' oxxilloskopju.L-esperiment kien ta 'suċċess meta l-apparat HCS (G0) biss kien imqabbad mal-polz tan-newroni biex jistimula t-tensjoni tal-membrana.Dan jintwera fil-Figura 3d, fejn il-ferrovija tal-polz blu tikkawża li l-vultaġġ tal-membrana jinbena fuq il-capacitor tal-membrana, filwaqt li l-ferrovija tal-polz aħdar iżżomm il-vultaġġ tal-membrana kostanti.
It-tieni funzjoni importanti ta 'RRAM hija l-implimentazzjoni tal-piżijiet tal-konnessjoni.Bl-użu tal-aġġustament tal-konduttanza analoga tal-RRAM, il-konnessjonijiet I/O jistgħu jiġu ppeżati kif xieraq.Fit-tieni esperiment, l-apparat G0 ġie pprogrammat għal livelli differenti ta 'HCS, u l-polz tad-dħul ġie applikat għall-input VIn0.Il-polz tad-dħul jiġbed kurrent (Iweight) mill-apparat, li huwa proporzjonali mal-konduttanza u l-waqgħa potenzjali korrispondenti Vtop - Vbot.Dan il-kurrent peżat imbagħad jiġi injettat fis-sinapsi DPI u n-newroni tal-ħruġ tal-LIF.Il-vultaġġ tal-membrana tan-newroni tal-ħruġ ġie rreġistrat bl-użu ta 'oxxilloskopju u murija f'Fig. 3d.Il-quċċata tal-vultaġġ tal-membrana tan-newroni b'reazzjoni għal polz ta 'input wieħed huwa proporzjonali għall-konduttanza tal-memorja reżistiva, li juri li RRAM jista' jintuża bħala element programmabbli ta 'piż sinaptiku.Dawn iż-żewġ testijiet preliminari juru li l-pjattaforma newromorfika proposta bbażata fuq RRAM hija kapaċi timplimenta l-elementi bażiċi tal-mekkaniżmu bażiku Jeffress, jiġifieri l-linja tad-dewmien u ċ-ċirkwit detector koinċidenza.Il-pjattaforma taċ-ċirkwit hija mibnija billi tistiva blokki suċċessivi ħdejn xulxin, bħall-blokki fil-Figura 3b, u tgħaqqad il-gradi tagħhom ma 'linja ta' input komuni.Aħna ddisinjaw, iffabbrikajna u ttestjajna pjattaforma newromorfika li tikkonsisti f'żewġ newroni tal-ħruġ li jirċievu żewġ inputs (Fig. 4a).Id-dijagramma taċ-ċirkwit tidher fil-Figura 4b.Il-matriċi RRAM 2 × 2 ta 'fuq tippermetti li l-impulsi tad-dħul jiġu diretti lejn żewġ newroni tal-ħruġ, filwaqt li l-matriċi 2 × 2 t'isfel tippermetti konnessjonijiet rikorrenti ta' żewġ newroni (N0, N1).Aħna nuru li din il-pjattaforma tista 'tintuża b'konfigurazzjoni ta' linja ta 'dewmien u żewġ funzjonijiet differenti ta' detector ta 'koinċidenza, kif muri minn kejl sperimentali f'Fig. 4c-e.
Dijagramma taċ-ċirkwit iffurmata minn żewġ newroni tal-ħruġ N0 u N1 li jirċievu żewġ inputs 0 u 1. L-erba 'apparati ta' fuq tal-firxa jiddefinixxu konnessjonijiet sinaptiċi minn input għal output, u l-erba 'ċelluli t'isfel jiddefinixxu konnessjonijiet rikorrenti bejn newroni.L-RRAMs ikkuluriti jirrappreżentaw l-apparati kkonfigurati fl-HCS fuq il-lemin: l-apparati fl-HCS jippermettu konnessjonijiet u jirrappreżentaw piżijiet, filwaqt li l-apparati fl-LCS jimblokkaw l-impulsi tad-dħul u jiskonnettjaw il-konnessjonijiet mal-outputs.b Dijagramma taċ-ċirkwit (a) bi tmien moduli RRAM enfasizzati bil-blu.c Il-linji ta 'dewmien huma ffurmati billi sempliċement tuża d-dinamika tas-sinapsi DPI u n-newroni LIF.L-RRAM aħdar huwa ssettjat għal konduttanza għolja biżżejjed biex ikun jista 'jikkaġuna glitch fl-output wara d-dewmien tad-dħul Δt.d Illustrazzjoni skematika ta' sejbien ta' CD insensittiv għad-direzzjoni ta' sinjali dipendenti fuq il-ħin.Output newron 1, N1, nirien fuq inputs 0 u 1 b'dewmien qasir.e Ċirkwit CD sensittiv għad-direzzjoni, ċirkwit li jiskopri meta l-input 1 joqrob lejn l-input 0 u jasal wara l-input 0. L-output taċ-ċirkwit huwa rappreżentat minn newron 1 (N1).
Il-linja tad-dewmien (Figura 4c) sempliċement tuża l-imġieba dinamika tas-sinapsi DPI u n-newroni LIF biex tirriproduċi l-ispike tal-input minn Vin1 għal Vout1 billi tittardja Tdel.Il-G3 RRAM konnessi ma' Vin1 u Vout1 biss huwa pprogrammat f'HCS, il-bqija tal-RRAMs huma pprogrammati f'LCS.L-apparat G3 kien ipprogrammat għal 92.6 µs biex jiżgura li kull polz ta 'input iżid il-vultaġġ tal-membrana tan-newron tal-ħruġ biżżejjed biex jilħaq il-limitu u jiġġenera polz ta' output ittardjat.Id-dewmien Tdel huwa determinat mill-kostanti tal-ħin sinaptiku u newrali.Detectors ta 'koinċidenza jiskopru l-okkorrenza ta' sinjali ta 'input korrelatati temporanjament iżda mqassma spazjalment.CD insensittiv għad-direzzjoni jiddependi fuq inputs individwali li jikkonverġu għal newron tal-ħruġ komuni (Figura 4d).Iż-żewġ RRAMs li jgħaqqdu Vin0 u Vin1 ma' Vout1, G2 u G4 rispettivament huma pprogrammati għal konduzzjoni għolja.Wasla simultanja ta 'spikes fuq Vin0 u Vin1 iżżid il-vultaġġ tal-membrana tan-newroni N1 'il fuq mil-limitu meħtieġ biex tiġġenera l-ispinta tal-output.Jekk iż-żewġ inputs huma wisq 'il bogħod minn xulxin fiż-żmien, il-ħlas fuq il-vultaġġ tal-membrana akkumulat mill-ewwel input jista' jkollu ħin biex jitmermer, u jipprevjeni l-potenzjal tal-membrana N1 milli jilħaq il-valur tal-limitu.G1 u G2 huma pprogrammati għal madwar 65 µs, li jiżgura li żieda qawwija ta' input wieħed ma żżidx il-vultaġġ tal-membrana biżżejjed biex tikkawża żieda qawwija fil-ħruġ.L-iskoperta ta 'koinċidenza bejn avvenimenti mqassma fl-ispazju u l-ħin hija operazzjoni fundamentali użata f'firxa wiesgħa ta' kompiti ta 'sensing bħall-evitar tal-ostakli bbażati fuq il-fluss ottiku u l-lokalizzazzjoni tas-sors tal-ħoss.Għalhekk, il-kompjuters ta 'CDs sensittivi għad-direzzjoni u insensittivi huwa element fundamentali għall-bini ta' sistemi ta 'lokalizzazzjoni viżiva u awdjo.Kif muri mill-karatteristiċi tal-kostanti tal-ħin (ara Fig. 2 Supplimentari), iċ-ċirkwit propost jimplimenta firxa xierqa ta 'erba' ordnijiet ta 'skali ta' ħin ta 'kobor.Għalhekk, jista 'fl-istess ħin jissodisfa r-rekwiżiti tas-sistemi viżivi u tal-ħoss.CD sensittiv għad-direzzjoni huwa ċirkwit li huwa sensittiv għall-ordni spazjali tal-wasla tal-impulsi: mil-lemin għax-xellug u viċi versa.Huwa blokk fundamentali fin-netwerk bażiku ta 'detezzjoni tal-moviment tas-sistema viżiva Drosophila, użata biex tikkalkula direzzjonijiet tal-moviment u tiskopri ħabtiet62.Biex jinkiseb CD sensittiv għad-direzzjoni, żewġ inputs għandhom ikunu diretti lejn żewġ newroni differenti (N0, N1) u għandha tiġi stabbilita konnessjoni direzzjonali bejniethom (Fig. 4e).Meta jiġi riċevut l-ewwel input, NO jirreaġixxi billi jżid il-vultaġġ fuq il-membrana tiegħu 'l fuq mill-valur tal-limitu u jibgħat żieda qawwija.Dan l-avveniment tal-output, min-naħa tiegħu, jispara N1 grazzi għall-konnessjoni direzzjonali enfasizzata bl-aħdar.Jekk jasal avveniment ta' input Vin1 u jsaħħaħ N1 waqt li l-vultaġġ tal-membrana tiegħu għadu għoli, N1 jiġġenera avveniment ta' output li jindika li nstabet qbil bejn iż-żewġ inputs.Konnessjonijiet direzzjonali jippermettu li l-N1 joħroġ output biss jekk id-dħul 1 jiġi wara l-input 0. G0, G3, u G7 huma pprogrammati għal 73.5 µS, 67.3 µS, u 40.2 µS, rispettivament, u jiżguraw li spike wieħed fuq l-input Vin0 jikkawża dewmien. output spike, filwaqt li l-potenzjal tal-membrana N1 jilħaq il-limitu biss meta ż-żewġ fqigħ tal-input jaslu sinkronizzat..
Il-varjabbiltà hija sors ta’ imperfezzjoni f’sistemi newromorfiċi mmudellati63,64,65.Dan iwassal għal imġieba eteroġenja ta 'newroni u sinapsi.Eżempji ta' żvantaġġi bħal dawn jinkludu varjabbiltà ta' 30% (devjazzjoni standard medja) fil-gwadann tal-input, kostanti tal-ħin, u perjodu refrattorju, biex insemmu biss ftit (ara Metodi).Din il-problema hija saħansitra aktar evidenti meta ċirkuwiti newrali multipli huma konnessi flimkien, bħal CD sensittiv għall-orjentazzjoni li jikkonsisti f'żewġ newroni.Biex taħdem sew, il-kostanti tal-ħin tal-qligħ u t-tħassir taż-żewġ newroni għandhom ikunu simili kemm jista 'jkun.Pereżempju, differenza kbira fil-gwadann tal-input tista 'tikkawża li newron wieħed jirreaġixxi żżejjed għal polz tal-input filwaqt li n-newron l-ieħor bilkemm jirrispondi.Fuq il-fig.Figura 5a turi li newroni magħżula b'mod każwali jirrispondu b'mod differenti għall-istess polz ta 'input.Din il-varjabilità newrali hija rilevanti, pereżempju, għall-funzjoni ta 'CDs sensittivi għad-direzzjoni.Fl-iskema murija fil-fig.5b, c, il-qligħ tad-dħul tan-newron 1 huwa ħafna ogħla minn dak tan-newron 0. Għalhekk, in-newron 0 jeħtieġ tliet impulsi ta 'input (minflok 1) biex jilħaq il-limitu, u n-newron 1, kif mistenni, jeħtieġ żewġ avvenimenti ta' input.L-implimentazzjoni tal-plastiċità bijomimetika li tiddependi mill-ħin (STDP) hija mod possibbli biex jittaffa l-impatt ta 'ċirkwiti newrali u sinaptiċi impreċiżi u kajman fuq il-prestazzjoni tas-sistema43.Hawnhekk nipproponu li nużaw l-imġieba tal-plastik tal-memorja reżistiva bħala mezz biex tinfluwenza t-titjib tal-input newrali u tnaqqas l-effetti tal-varjabbiltà fiċ-ċirkwiti newromorfiċi.Kif muri fil-fig.4e, il-livelli ta 'konduttanza assoċjati mal-massa sinaptika RRAM modulaw b'mod effettiv ir-rispons tal-vultaġġ tal-membrana newrali korrispondenti.Aħna nużaw strateġija ta 'programmazzjoni RRAM iterattiva.Għal input partikolari, il-valuri tal-konduttanza tal-piżijiet sinaptiċi huma pprogrammati mill-ġdid sakemm tinkiseb l-imġieba fil-mira taċ-ċirkwit (ara l-Metodi).
a Kejl sperimentali tar-rispons ta' disa' newroni individwali magħżula b'mod każwali għall-istess polz ta' input.Ir-rispons ivarja bejn il-popolazzjonijiet, u jaffettwa l-qligħ tal-input u l-ħin kostanti.b Kejl sperimentali tal-influwenza tan-newroni fuq il-varjabbiltà tan-newroni li jaffettwaw CD sensittivi għad-direzzjoni.Iż-żewġ newroni tal-output CD sensittivi għad-direzzjoni jirrispondu b'mod differenti għal stimuli ta 'input minħabba l-varjabilità ta' newroni għal newroni.In-newron 0 għandu qligħ ta 'input aktar baxx minn newron 1, għalhekk jieħu tliet impulsi ta' input (minflok 1) biex joħloq spike ta 'output.Kif mistenni, in-newron 1 jilħaq il-limitu b'żewġ avvenimenti ta 'input.Jekk l-input 1 jasal Δt = 50 µs wara n-nar tan-newron 0, CD jibqa' sieket minħabba li Δt huwa akbar mill-kostanti tal-ħin tan-newron 1 (madwar 22 µs).c huwa mnaqqas b'Δt = 20 µs, sabiex l-input 1 jilħaq il-quċċata meta l-isparar tan-newron 1 għadu għoli, li jirriżulta fl-iskoperta simultanja ta 'żewġ avvenimenti ta' input.
Iż-żewġ elementi użati fil-kolonna tal-kalkolu tal-ITD huma l-linja tad-dewmien u s-CD insensittiva għad-direzzjoni.Iż-żewġ ċirkwiti jeħtieġu kalibrazzjoni preċiża biex jiżguraw prestazzjoni tajba tal-ippożizzjonar tal-oġġett.Il-linja tad-dewmien għandha tagħti verżjoni mdewma b'mod preċiż tal-quċċata tal-input (Fig. 6a), u s-CD għandu jiġi attivat biss meta l-input jaqa 'fil-medda ta' skoperta fil-mira.Għal-linja tad-dewmien, il-piżijiet sinaptiċi tal-konnessjonijiet tal-input (G3 f'Fig. 4a) ġew ipprogrammati mill-ġdid sakemm inkiseb id-dewmien fil-mira.Issettja tolleranza madwar id-dewmien fil-mira biex twaqqaf il-programm: iktar ma tkun żgħira t-tolleranza, iktar ikun diffiċli li tissettja b'suċċess il-linja tad-dewmien.Fuq il-fig.Il-Figura 6b turi r-riżultati tal-proċess tal-kalibrazzjoni tal-linja tad-dewmien: wieħed jista 'jara li l-iskema proposta tista' eżattament tipprovdi d-dewmien kollu meħtieġ fl-iskema tad-disinn (minn 10 sa 300 μs).In-numru massimu ta 'iterazzjonijiet ta' kalibrazzjoni jaffettwa l-kwalità tal-proċess ta 'kalibrazzjoni: 200 iterazzjoni jistgħu jnaqqsu l-iżball għal inqas minn 5%.Iterazzjoni ta' kalibrazzjoni waħda tikkorrispondi għal operazzjoni ta' sett/reset ta' ċellula RRAM.Il-proċess ta 'l-irfinar huwa wkoll kritiku biex titjieb l-eżattezza ta' l-iskoperta ta 'avveniment mill-qrib instantanju tal-modulu CD.Kienu ħadu għaxar iterazzjonijiet ta' kalibrazzjoni biex tinkiseb rata pożittiva vera (jiġifieri, ir-rata ta' avvenimenti identifikati b'mod korrett bħala rilevanti) 'l fuq minn 95% (linja blu fil-Figura 6c).Madankollu, il-proċess tal-irfinar ma affettwax avvenimenti pożittivi foloz (jiġifieri, il-frekwenza tal-avvenimenti li ġew identifikati b'mod żbaljat bħala rilevanti).Metodu ieħor osservat fis-sistemi bijoloġiċi biex jingħelbu r-restrizzjonijiet ta 'żmien ta' mogħdijiet li jattivaw malajr huwa r-redundancy (jiġifieri, ħafna kopji tal-istess oġġett jintużaw biex iwettqu funzjoni partikolari).Ispirati mill-biology66, poġġejna diversi ċirkwiti CD f'kull modulu CD bejn iż-żewġ linji ta 'dewmien biex innaqqsu l-impatt ta' pożittivi foloz.Kif muri fil-fig.6c (linja ħadra), it-tqegħid ta 'tliet elementi CD f'kull modulu CD jista' jnaqqas ir-rata ta 'allarm falz għal inqas minn 10–2.
a Effett tal-varjabbiltà newronali fuq iċ-ċirkwiti tal-linja tad-dewmien.b Iċ-ċirkwiti tal-linja tad-dewmien jistgħu jiġu skalati għal dewmien kbir billi jiġu stabbiliti l-kostanti tal-ħin tan-newroni LIF korrispondenti u s-sinapsi DPI għal valuri kbar.Iż-żieda fin-numru ta 'iterazzjonijiet tal-proċedura ta' kalibrazzjoni RRAM għamlitha possibbli li tittejjeb b'mod sinifikanti l-eżattezza tad-dewmien fil-mira: 200 iterazzjoni naqqsu l-iżball għal inqas minn 5%.Iterazzjoni waħda tikkorrispondi għal operazzjoni SET/RESET fuq ċellula RRAM.Kull modulu CD fil-mudell c Jeffress jista 'jiġi implimentat bl-użu ta' N elementi CD paralleli għal flessibilità akbar fir-rigward ta 'fallimenti tas-sistema.d Aktar iterazzjonijiet ta 'kalibrazzjoni RRAM iżidu r-rata pożittiva vera (linja blu), filwaqt li r-rata pożittiva falza hija indipendenti min-numru ta' iterazzjonijiet (linja ħadra).It-tqegħid ta 'aktar elementi CD b'mod parallel jevita skoperta falza ta' logħbiet tal-modulu CD.
Issa nevalwaw il-prestazzjoni u l-konsum tal-enerġija tas-sistema ta 'lokalizzazzjoni tal-oġġett integrata minn tarf sa tarf murija fil-Figura 2 billi tuża kejl tal-proprjetajiet akustiċi tas-sensor pMUT, CD, u ċirkwiti tal-linja tad-dewmien li jiffurmaw il-graff tal-kompjuters newromorfiċi.Mudell Jeffress (Fig. 1a).Fir-rigward tal-graff tal-kompjuter newromorfiku, iktar ma jkun kbir in-numru ta 'moduli CD, aħjar ir-riżoluzzjoni angolari, iżda wkoll ogħla tkun l-enerġija tas-sistema (Fig. 7a).Jista' jintlaħaq kompromess billi titqabbel l-eżattezza tal-komponenti individwali (sensuri pMUT, newroni, u ċirkwiti sinaptiċi) mal-eżattezza tas-sistema kollha.Ir-riżoluzzjoni tal-linja tad-dewmien hija limitata mill-kostanti tal-ħin tas-sinapsi u n-newroni simulati, li fl-iskema tagħna jaqbżu l-10 µs, li jikkorrispondi għal riżoluzzjoni angolari ta '4 ° (ara Metodi).Nodi aktar avvanzati b'teknoloġija CMOS se jippermettu d-disinn ta 'ċirkwiti newrali u sinaptiċi b'kostanti ta' ħin aktar baxxi, li jirriżultaw fi preċiżjoni ogħla tal-elementi tal-linja tad-dewmien.Madankollu, fis-sistema tagħna, l-eżattezza hija limitata mill-iżball pMUT fl-istima tal-pożizzjoni angolari, jiġifieri 10 ° (linja orizzontali blu f'Fig. 7a).Aħna ffissaw in-numru ta 'moduli CD f'40, li jikkorrispondi għal riżoluzzjoni angolari ta' madwar 4 °, jiġifieri, l-eżattezza angolari tal-graff komputazzjonali (linja orizzontali blu ċar f'Fig. 7a).Fil-livell tas-sistema, dan jagħti riżoluzzjoni ta '4° u preċiżjoni ta' 10° għal oġġetti li jinsabu 50 ċm quddiem is-sistema tas-sensuri.Dan il-valur huwa komparabbli mas-sistemi ta' lokalizzazzjoni tal-ħoss newromorfiċi rrappurtati f'ref.67. Tqabbil tas-sistema proposta mal-aktar avvanzata jista 'jinstab fit-Tabella Supplimentari 1. Iż-żieda ta' pMUTs addizzjonali, iż-żieda tal-livell tas-sinjal akustiku, u t-tnaqqis tal-ħoss elettroniku huma modi possibbli biex tittejjeb aktar l-eżattezza tal-lokalizzazzjoni.) huwa stmat għal 9.7.nz.55. Minħabba 40 unità CD fuq il-graff komputazzjonali, is-simulazzjoni SPICE stmat l-enerġija għal kull operazzjoni (jiġifieri, enerġija ta 'pożizzjonament ta' l-oġġett) li tkun 21.6 nJ.Is-sistema newromorfika tiġi attivata biss meta jasal avveniment ta' input, jiġifieri meta mewġa akustika tilħaq kwalunkwe riċevitur pMUT u taqbeż il-limitu ta' skoperta, inkella tibqa' inattiva.Dan jevita konsum ta 'enerġija mhux meħtieġ meta ma jkunx hemm sinjal ta' input.Meta wieħed iqis frekwenza ta 'operazzjonijiet ta' lokalizzazzjoni ta '100 Hz u perjodu ta' attivazzjoni ta '300 µs għal kull operazzjoni (l-ITD massimu possibbli), il-konsum tal-enerġija tal-graff tal-kompjuter newromorfiku huwa 61.7 nW.Bil-preproċessar newromorfiku applikat għal kull riċevitur pMUT, il-konsum tal-enerġija tas-sistema kollha jilħaq 81.6 nW.Biex nifhmu l-effiċjenza enerġetika tal-approċċ newromorfiku propost meta mqabbel mal-ħardwer konvenzjonali, qabbilna dan in-numru mal-enerġija meħtieġa biex twettaq l-istess kompitu fuq mikrokontrollur modern ta 'enerġija baxxa li juża jew newromorfiċi jew konvenzjonali beamforming68 Skill.L-approċċ newromorfiku jikkunsidra stadju ta 'konvertitur analogu għal diġitali (ADC), segwit minn filtru band-pass u stadju ta' estrazzjoni ta 'envelope (metodu Teeger-Kaiser).Fl-aħħarnett, titwettaq operazzjoni ta 'limitu biex jiġi estratt it-ToF.Ħallejna l-kalkolu ta 'ITD ibbażat fuq ToF u l-konverżjoni għal pożizzjoni angolari stmata peress li dan iseħħ darba għal kull kejl (ara Metodi).Jekk wieħed jassumi rata ta 'kampjunar ta' 250 kHz fuq iż-żewġ kanali (riċevituri pMUT), 18-il operazzjoni ta 'filtru ta' pass tal-banda, 3 operazzjonijiet ta 'estrazzjoni ta' envelope, u operazzjoni ta 'limitu 1 għal kull kampjun, il-konsum totali tal-enerġija huwa stmat għal 245 microwatts.Dan juża l-mod ta 'enerġija baxxa tal-mikrokontrollur69, li jixgħel meta l-algoritmi ma jkunux qed iwettqu, li jnaqqas il-konsum tal-enerġija għal 10.8 µW.Il-konsum tal-enerġija tas-soluzzjoni tal-ipproċessar tas-sinjal beamforming proposta fir-referenza.31, b'5 riċevituri pMUT u 11-il raġġ imqassma b'mod uniformi fil-pjan ażimut [-50°, +50°], huwa 11.71 mW (ara t-taqsima Metodi għad-dettalji).Barra minn hekk, nirrapportaw il-konsum tal-enerġija ta 'Time Difference Encoder (TDE) ibbażat fuq FPGA47 stmat għal 1.5 mW bħala sostitut għall-mudell Jeffress għall-lokalizzazzjoni tal-oġġett.Ibbażat fuq dawn l-istimi, l-approċċ newromorfiku propost inaqqas il-konsum tal-enerġija b'ħames ordnijiet ta 'kobor meta mqabbel ma' mikrokontrollur li juża tekniki klassiċi ta 'beamforming għal operazzjonijiet ta' lokalizzazzjoni ta 'oġġetti.L-adozzjoni ta 'approċċ newromorfiku għall-ipproċessar tas-sinjali fuq mikrokontrollur klassiku tnaqqas il-konsum tal-enerġija b'madwar żewġ ordnijiet ta' kobor.L-effettività tas-sistema proposta tista 'tiġi spjegata bil-kombinazzjoni ta' ċirkwit analogu asinkroniku ta 'memorja reżistenti li kapaċi jwettaq kalkoli fil-memorja u n-nuqqas ta' konverżjoni analogu għal diġitali meħtieġa biex jipperċepixxi s-sinjali.
a Riżoluzzjoni angolari (blu) u konsum tal-enerġija (aħdar) tal-operazzjoni ta 'lokalizzazzjoni skont in-numru ta' moduli CD.Il-bar orizzontali blu skur tirrappreżenta l-eżattezza angolari tal-PMUT u l-bar orizzontali blu ċar tirrappreżenta l-eżattezza angolari tal-graff komputazzjonali newromorfiku.b Il-konsum tal-enerġija tas-sistema proposta u t-tqabbil maż-żewġ implimentazzjonijiet tal-mikrokontrolluri diskussi u l-implimentazzjoni diġitali tal-Time Difference Encoder (TDE)47 FPGA.
Biex timminimizza l-konsum tal-enerġija tas-sistema ta 'lokalizzazzjoni fil-mira, aħna kkonċepijna, iddisinjajna u implimentajna ċirkwit newromorfiku effiċjenti u mmexxi mill-avvenimenti bbażat fuq RRAM li jipproċessa l-informazzjoni tas-sinjali ġġenerata mis-sensors integrati biex tikkalkula l-pożizzjoni tal-oġġett fil-mira b'mod reali. ħin..Filwaqt li l-metodi tradizzjonali ta 'pproċessar kontinwament jieħdu kampjun ta' sinjali misjuba u jwettqu kalkoli biex tiġi estratta informazzjoni utli, is-soluzzjoni newromorfika proposta twettaq kalkoli b'mod asinkroniku hekk kif tasal informazzjoni utli, u timmassimizza l-effiċjenza tal-enerġija tas-sistema b'ħames ordnijiet ta 'kobor.Barra minn hekk, aħna nenfasizzaw il-flessibilità ta 'ċirkwiti newromorfiċi bbażati fuq RRAM.Il-kapaċità ta 'RRAM li tibdel il-konduttanza b'mod mhux volatili (plastikità) tikkumpensa għall-varjabbiltà inerenti taċ-ċirkwiti sinaptiċi u newrali ta' qawwa ultra baxxa tad-DPI analogi.Dan jagħmel dan iċ-ċirkwit ibbażat fuq RRAM versatili u qawwi.L-għan tagħna mhuwiex li nġibu funzjonijiet jew mudelli kumplessi minn sinjali, iżda li nillokalizzaw oġġetti f'ħin reali.Is-sistema tagħna tista 'wkoll tikkompressa b'mod effiċjenti s-sinjal u eventwalment tibgħatha għal aktar passi ta' pproċessar biex tieħu deċiżjonijiet aktar kumplessi meta jkun meħtieġ.Fil-kuntest tal-applikazzjonijiet ta 'lokalizzazzjoni, il-pass tal-preproċessar newromorfiku tagħna jista' jipprovdi informazzjoni dwar il-post tal-oġġetti.Din l-informazzjoni tista' tintuża, pereżempju, għall-iskoperta tal-moviment jew għar-rikonoxximent tal-ġesti.Aħna nenfasizzaw l-importanza li nikkombinaw sensuri ta 'enerġija ultra baxxa bħal pMUTs ma' elettronika ta 'qawwa ultra baxxa.Għal dan, approċċi newromorfiċi kienu ewlenin peress li wassluna biex niżviluppaw implimentazzjonijiet ta 'ċirkwiti ġodda ta' metodi ta 'komputazzjoni ispirati bijoloġikament bħall-mudell Jeffress.Fil-kuntest tal-applikazzjonijiet tal-fużjoni tas-sensuri, is-sistema tagħna tista 'tiġi kkombinata ma' diversi sensuri differenti bbażati fuq l-avvenimenti biex tinkiseb informazzjoni aktar preċiża.Għalkemm il-Kokki huma eċċellenti biex isibu priża fid-dlam, għandhom vista eċċellenti u jagħmlu tfittxija kombinata tas-smigħ u viżiva qabel jaqbdu l-priża70.Meta newron tas-smigħ partikolari jispara, il-kokka tirċievi l-informazzjoni li teħtieġ biex tiddetermina f’liema direzzjoni tibda t-tfittxija viżwali tagħha, u b’hekk tiffoka l-attenzjoni tagħha fuq parti żgħira tax-xena viżiva.Taħlita ta 'sensors viżwali (kamera DVS) u sensur tas-smigħ propost (ibbażat fuq pMUT) għandhom jiġu esplorati għall-iżvilupp ta' aġenti awtonomi futuri.
Is-sensor pMUT jinsab fuq PCB b'żewġ riċevituri madwar 10 ċm 'il bogħod minn xulxin, u t-trasmettitur jinsab bejn ir-riċevituri.F'dan ix-xogħol, kull membrana hija struttura bimorph sospiża li tikkonsisti f'żewġ saffi ta 'nitrur tal-aluminju pjeżoelettriku (AlN) 800 nm ħoxnin imdaħħla bejn tliet saffi ta' molibdenu (Mo) 200 nm ħoxnin u miksija b'saff ta '200 nm ħxuna.is-saff ta 'fuq tas-SiN passivating kif deskritt fir-referenza.71. L-elettrodi ta 'ġewwa u ta' barra huma applikati għas-saffi ta 'qiegħ u ta' fuq tal-molibdenu, filwaqt li l-elettrodu tal-molibdenu tan-nofs huwa bla disinn u użat bħala art, li jirriżulta f'membrana b'erba 'pari ta' elettrodi.
Din l-arkitettura tippermetti l-użu ta 'deformazzjoni komuni tal-membrana, li tirriżulta f'sensittività mtejba tat-trasmissjoni u r-riċeviment.Tali pMUT tipikament juri sensittività ta 'eċitazzjoni ta' 700 nm/V bħala emitter, li jipprovdi pressjoni tal-wiċċ ta '270 Pa/V.Bħala riċevitur, film wieħed pMUT juri sensittività ta 'ċirkwit qasir ta' 15 nA/Pa, li hija direttament relatata mal-koeffiċjent pjeżoelettriku ta 'AlN.Il-varjabilità teknika tal-vultaġġ fis-saff AlN twassal għal bidla fil-frekwenza reżonanti, li tista 'tiġi kkumpensata billi tiġi applikata preġudizzju DC lill-pMUT.Is-sensittività DC kienet imkejla f'0.5 kHz/V.Għall-karatterizzazzjoni akustika, mikrofonu jintuża quddiem il-pMUT.
Biex tkejjel il-polz tal-eku, poġġiejna pjanċa rettangolari b'erja ta 'madwar 50 cm2 quddiem il-pMUT biex tirrifletti l-mewġ tal-ħoss emess.Kemm id-distanza bejn il-pjanċi kif ukoll l-angolu relattiv għall-pjan pMUT huma kkontrollati bl-użu ta 'detenturi speċjali.Sors ta 'vultaġġ Tectronix CPX400DP jippreġudika tliet membrani pMUT, irfinar il-frekwenza reżonanti għal 111.9 kHz31, filwaqt li t-trasmettituri huma mmexxija minn ġeneratur tal-polz Tectronix AFG 3102 sintonizzat mal-frekwenza reżonanti (111.9 kHz) u ċiklu ta' xogħol ta '0.Il-kurrenti moqrija mill-erba 'portijiet tal-ħruġ ta' kull riċevitur pMUT huma kkonvertiti għal vultaġġi bl-użu ta 'kurrent differenzjali speċjali u arkitettura ta' vultaġġ, u s-sinjali li jirriżultaw huma diġitizzati mis-sistema ta 'akkwist tad-dejta Spektrum.Il-limitu ta 'skoperta kien ikkaratterizzat mill-akkwist tas-sinjal pMUT taħt kundizzjonijiet differenti: aħna mċaqlaq ir-riflettur għal distanzi differenti [30, 40, 50, 60, 80, 100] ċm u biddilna l-angolu ta' appoġġ pMUT ([0, 20, 40] o ) Il-Figura 2b turi r-riżoluzzjoni temporali tal-kxif tal-ITD skont il-pożizzjoni angolari korrispondenti fi gradi.
Dan l-artikolu juża żewġ ċirkwiti RRAM off-the-shelf differenti.L-ewwel hija firxa ta '16,384 (16,000) apparat (128 × 128 apparat) f'konfigurazzjoni 1T1R b'transistor wieħed u resistor wieħed.It-tieni ċippa hija l-pjattaforma newromorfika murija f'Fig. 4a.Iċ-ċellula RRAM tikkonsisti minn film HfO2 ħoxna ta '5 nm inkorporat fi munzell TiN/HfO2/Ti/TiN.Il-munzell RRAM huwa integrat fil-back-of-line (BEOL) tal-proċess CMOS standard ta '130nm.Ċirkwiti newromorfiċi bbażati fuq RRAM jippreżentaw sfida ta 'disinn għal sistemi elettroniċi analogi kollha li fihom apparati RRAM jeżistu flimkien mat-teknoloġija CMOS tradizzjonali.B'mod partikolari, l-istat tal-konduzzjoni tal-apparat RRAM għandu jinqara u jintuża bħala varjabbli tal-funzjoni għas-sistema.Għal dan il-għan, ġie ddisinjat, iffabbrikat u ttestjat ċirkwit li jaqra l-kurrent mill-apparat meta jiġi riċevut polz ta 'input u juża dan il-kurrent biex ippeża r-rispons ta' sinapsi ta 'integratur par differenzjali (DPI).Dan iċ-ċirkwit jidher fil-Figura 3a, li tirrappreżenta l-blokki bażiċi tal-pjattaforma newromorfika fil-Figura 4a.Polz ta' input jattiva l-bieb tal-apparat 1T1R, li jinduċi kurrent permezz ta' RRAM proporzjonali għall-konduttanza G tal-apparat (Iweight = G(Vtop – Vx)).L-inversing input taċ-ċirkwit amplifikatur operattiv (op-amp) għandu vultaġġ DC bias kostanti Vtop.Ir-rispons negattiv tal-op-amp se jipprovdi Vx = Vtop billi jipprovdi kurrent ugwali minn M1.L-Iweight attwali rkuprat mill-apparat jiġi injettat fis-sinapsi DPI.Kurrent aktar b'saħħtu jirriżulta f'aktar depolarizzazzjoni, għalhekk il-konduttanza RRAM timplimenta b'mod effettiv il-piżijiet sinaptiċi.Dan il-kurrent sinaptiku esponenzjali jiġi injettat permezz tal-kapaċitatur tal-membrana tan-newroni Leaky Integration and Excitation (LIF), fejn huwa integrat bħala vultaġġ.Jekk il-vultaġġ tal-limitu tal-membrana (il-vultaġġ tal-iswiċċjar tal-inverter) jingħeleb, il-parti tal-ħruġ tan-newron tiġi attivata, u tipproduċi spike tal-ħruġ.Dan il-polz jirritorna u jqabbad il-kapaċitatur tal-membrana tan-newron lejn l-art, u jġiegħlu joħroġ.Dan iċ-ċirkwit imbagħad jiġi supplimentat b'espansjoni tal-polz (mhux murija f'Fig. 3a), li tifforma l-polz tal-ħruġ tan-newron LIF għall-wisa 'tal-polz fil-mira.Il-multiplexers huma wkoll mibnija f'kull linja, li jippermettu li jiġi applikat vultaġġ għall-elettrodi ta 'fuq u ta' isfel tal-apparat RRAM.
L-ittestjar elettriku jinkludi l-analiżi u r-reġistrazzjoni tal-imġieba dinamika ta 'ċirkwiti analogi, kif ukoll l-ipprogrammar u l-qari ta' apparati RRAM.Iż-żewġ passi jeħtieġu għodod speċjali, li kollha huma konnessi mal-bord tas-sensorju fl-istess ħin.L-aċċess għal apparati RRAM f'ċirkwiti newromorfiċi jitwettaq minn għodod esterni permezz ta 'multiplexer (MUX).Il-MUX jifred iċ-ċellula 1T1R mill-bqija taċ-ċirkwiti li jappartjeni għaliha, u jippermetti li l-apparat jinqara u/jew ipprogrammat.Biex tipprogramma u taqra apparati RRAM, magna Keithley 4200 SCS tintuża flimkien ma 'mikrokontrollur Arduino: l-ewwel għal ġenerazzjoni ta' polz preċiż u qari kurrenti, u t-tieni għal aċċess rapidu għal elementi individwali 1T1R fil-firxa tal-memorja.L-ewwel operazzjoni hija li tifforma l-apparat RRAM.Iċ-ċelloli jintgħażlu waħda waħda u vultaġġ pożittiv jiġi applikat bejn l-elettrodi ta 'fuq u ta' isfel.F'dan il-każ, il-kurrent huwa limitat għall-ordni ta 'għexieren ta' mikroamperes minħabba l-provvista tal-vultaġġ tal-bieb korrispondenti għat-transistor selettur.Iċ-ċellula RRAM tista 'mbagħad ċiklu bejn stat konduttiv baxx (LCS) u stat konduttiv għoli (HCS) bl-użu ta' operazzjonijiet RESET u SET, rispettivament.L-operazzjoni SET titwettaq billi jiġi applikat polz ta 'vultaġġ rettangolari b'tul ta' 1 μs u vultaġġ massimu ta '2.0-2.5 V għall-elettrodu ta' fuq, u polz ta 'sinkronizzazzjoni ta' forma simili b'vultaġġ massimu ta '0.9-1.3 V sa il-bieb tat-transistor selettur.Dawn il-valuri jippermettu l-modulazzjoni tal-konduttanza RRAM f'intervalli ta '20-150 µs.Għal RESET, 1 µs wiesgħa, 3 V peak polz jiġi applikat għall-elettrodu tal-qiegħ (bit line) taċ-ċellula meta l-vultaġġ tal-gate huwa fil-medda ta '2.5-3.0 V. L-inputs u l-ħruġ taċ-ċirkwiti analogi huma sinjali dinamiċi .Għall-input, aħna interleaved żewġ ġeneraturi tal-polz HP 8110 ma 'ġeneraturi tas-sinjal Tektronix AFG3011.Il-polz tad-dħul għandu wisa' ta' 1 µs u tarf tlugħ/waqgħa ta' 50 ns.Dan it-tip ta 'polz huwa preżunt li huwa glitch tipiku f'ċirkwiti bbażati fuq glitch Analog.Fir-rigward tas-sinjal tal-ħruġ, is-sinjal tal-ħruġ ġie rreġistrat bl-użu ta 'oxxilloskopju Teledyne LeCroy 1 GHz.Il-veloċità tal-akkwist ta 'oxxilloskopju ġiet ippruvata li mhix fattur li jillimita fl-analiżi u l-akkwist tad-dejta taċ-ċirkwit.
L-użu tad-dinamika tal-elettronika analoga biex tissimula l-imġieba tan-newroni u s-sinapsi hija soluzzjoni eleganti u effiċjenti biex tittejjeb l-effiċjenza tal-komputazzjoni.L-iżvantaġġ ta 'dan il-qiegħ komputazzjonali huwa li se jvarja minn skema għal skema.Aħna kkwantifikajna l-varjabbiltà tan-newroni u ċ-ċirkwiti sinaptiċi (Figura Supplimentari 2a, b).Mill-manifestazzjonijiet kollha tal-varjabbiltà, dawk assoċjati mal-kostanti tal-ħin u l-qligħ tal-input għandhom l-akbar impatt fil-livell tas-sistema.Il-kostanti tal-ħin tan-newron LIF u s-sinapsi DPI hija ddeterminata minn ċirkwit RC, fejn il-valur ta 'R huwa kkontrollat minn vultaġġ ta' polarizzazzjoni applikat għall-bieb tat-transistor (Vlk għan-newron u Vtau għas-sinapsi), li jiddetermina l- rata ta 'tnixxija.Il-qligħ tad-dħul huwa definit bħala l-ogħla vultaġġ milħuq mill-capacitors tal-membrana sinaptika u newronali stimulati minn polz ta 'input.Il-qligħ tad-dħul huwa kkontrollat minn transistor bias ieħor li jimmodula l-kurrent tad-dħul.Saret simulazzjoni Monte Carlo kkalibrata fuq il-proċess ta '130nm ta' ST Microelectronics biex tinġabar xi statistika tal-gwadann tal-input u tal-ħin kostanti.Ir-riżultati huma ppreżentati fil-Figura Supplimentari 2, fejn il-gwadann tad-dħul u l-kostanti tal-ħin huma kkwantifikati bħala funzjoni tal-vultaġġ tal-polarizzazzjoni li jikkontrolla r-rata ta 'tnixxija.Markers ħodor jikkwantifikaw id-devjazzjoni standard tal-kostanti tal-ħin mill-medja.Kemm newroni kif ukoll ċirkwiti sinaptiċi kienu kapaċi jesprimu firxa wiesgħa ta 'kostanti ta' ħin fil-medda ta '10-5-10-2 s, kif muri fl-iskema Supplimentari Fig.L-amplifikazzjoni tal-input (Figura Supplimentari 2e, d) tal-varjabilità newronali u tas-sinapsi kienet ta 'madwar 8% u 3%, rispettivament.Tali defiċjenza hija dokumentata sew fil-letteratura: saru diversi kejl fuq il-firxa ta 'ċipep DYNAP biex jiġi vvalutat in-nuqqas ta' qbil bejn popolazzjonijiet ta 'newroni LIF63.Is-sinapsi fiċ-ċippa tas-sinjali mħallta BrainScale ġew imkejla u l-inkonsistenzi tagħhom ġew analizzati, u ġiet proposta proċedura ta 'kalibrazzjoni biex tnaqqas l-effett tal-varjabbiltà fil-livell tas-sistema64.
Il-funzjoni ta 'RRAM f'ċirkwiti newromorfiċi hija doppja: definizzjoni ta' arkitettura (routing inputs għal outputs) u implimentazzjoni ta 'piżijiet sinaptiċi.Din l-aħħar proprjetà tista 'tintuża biex issolvi l-problema tal-varjabbiltà taċ-ċirkwiti newromorfiċi mmudellati.Aħna żviluppajna proċedura ta 'kalibrazzjoni sempliċi li tinvolvi l-ipprogrammar mill-ġdid tal-apparat RRAM sakemm iċ-ċirkwit li qed jiġi analizzat jissodisfa ċerti rekwiżiti.Għal input partikolari, l-output jiġi mmonitorjat u l-RRAM jiġi pprogrammat mill-ġdid sakemm tintlaħaq l-imġiba fil-mira.Ġie introdott ħin ta 'stennija ta' 5 s bejn operazzjonijiet ta 'programmar biex issolvi l-problema tar-rilassament RRAM li jirriżulta f'varjazzjonijiet temporanji fil-konduttanza (Informazzjoni Supplimentari).Il-piżijiet sinaptiċi huma aġġustati jew ikkalibrati skont ir-rekwiżiti taċ-ċirkwit newromorfiku li qed jiġi mmudellat.Il-proċedura ta 'kalibrazzjoni hija miġbura fil-qosor f'algoritmi addizzjonali [1, 2] li jiffokaw fuq żewġ karatteristiċi fundamentali ta' pjattaformi newromorfiċi, linji ta 'dewmien u CD insensittivi għad-direzzjoni.Għal ċirkwit b'linja ta 'dewmien, l-imġieba fil-mira hija li tipprovdi polz tal-ħruġ b'dewmien Δt.Jekk id-dewmien attwali taċ-ċirkwit huwa inqas mill-valur fil-mira, il-piż sinaptiku ta 'G3 għandu jitnaqqas (G3 għandu jiġi ssettjat mill-ġdid u mbagħad issettjat għal Icc kurrenti ta' tqabbil aktar baxx).Bil-maqlub, jekk id-dewmien attwali huwa akbar mill-valur fil-mira, il-konduttanza ta 'G3 għandha tiżdied (G3 għandu l-ewwel jiġi reset u mbagħad issettjat għal valur Icc ogħla).Dan il-proċess jiġi ripetut sakemm id-dewmien iġġenerat miċ-ċirkwit jaqbel mal-valur fil-mira u tiġi stabbilita tolleranza biex twaqqaf il-proċess ta 'kalibrazzjoni.Għal CDs insensittivi għall-orjentazzjoni, żewġ apparati RRAM, G1 u G3, huma involuti fil-proċess ta 'kalibrazzjoni.Dan iċ-ċirkwit għandu żewġ inputs, Vin0 u Vin1, ittardjati b'dt.Iċ-ċirkwit għandu jirrispondi biss għal dewmien taħt il-medda ta' tqabbil [0,dtCD].Jekk ma jkun hemm l-ebda quċċata tal-ħruġ, iżda l-quċċata tad-dħul hija qrib, iż-żewġ apparati RRAM għandhom jingħataw spinta biex jgħinu lin-newron jilħaq il-limitu.Bil-maqlub, jekk iċ-ċirkwit jirrispondi għal dewmien li jaqbeż il-firxa fil-mira ta 'dtCD, il-konduttanza għandha titnaqqas.Irrepeti l-proċess sakemm tinkiseb l-imġieba korretta.Il-kurrent ta 'konformità jista' jiġi modulat miċ-ċirkwit analogu integrat f'ref.72.73.B'dan iċ-ċirkwit inkorporat, proċeduri bħal dawn jistgħu jitwettqu perjodikament biex tiġi kkalibrata s-sistema jew terġa 'tintuża għal applikazzjoni oħra.
Aħna nevalwaw il-konsum tal-enerġija tal-approċċ tal-ipproċessar tas-sinjal newromorfiku tagħna fuq mikrokontrollur standard ta '32-bit68.F'din l-evalwazzjoni, nassumu tħaddim bl-istess setup bħal f'dan id-dokument, b'trasmettitur pMUT wieħed u żewġ riċevituri pMUT.Dan il-metodu juża filtru bandpass, segwit minn pass ta 'estrazzjoni ta' envelope (Teeger-Kaiser), u finalment operazzjoni ta 'thresholding hija applikata għas-sinjal biex jiġi estratt il-ħin tat-titjira.Il-kalkolu tal-ITD u l-konverżjoni tiegħu għal angoli ta' skoperta jitħallew barra fl-evalwazzjoni.Aħna nqisu implimentazzjoni tal-filtru tal-band pass bl-użu ta 'filtru ta' rispons tal-impuls infinit tar-4 ordni li jeħtieġ 18-il operazzjoni b'punt li jvarja.L-estrazzjoni tal-pakkett tuża tliet operazzjonijiet ta 'punt li jvarja, u l-aħħar operazzjoni tintuża biex tissettja l-limitu.Total ta' 22 operazzjoni floating point huma meħtieġa biex is-sinjal jiġi pproċessat minn qabel.Is-sinjal trażmess huwa tifqigħ qasir ta 'forma ta' mewġa sine 111.9 kHz iġġenerat kull 10 ms li jirriżulta fi frekwenza operattiva ta 'pożizzjonament ta' 100 Hz.Aħna użajna rata ta 'kampjunar ta' 250 kHz biex tikkonforma ma 'Nyquist u tieqa ta' 6 ms għal kull kejl biex taqbad medda ta 'metru 1.Innota li 6 millisekondi huwa l-ħin tat-titjir ta 'oġġett li huwa metru 'l bogħod.Dan jipprovdi konsum ta 'enerġija ta' 180 µW għall-konverżjoni A/D f'0.5 MSPS.L-ipproċessar minn qabel tas-sinjal huwa 6.60 MIPS (struzzjonijiet kull sekonda), li jiġġenera 0.75 mW.Madankollu, il-mikrokontrollur jista 'jaqleb għal mod ta' enerġija baxxa 69 meta l-algoritmu ma jkunx qed jaħdem.Din il-modalità tipprovdi konsum ta 'enerġija statika ta' 10.8 μW u ħin ta 'wake-up ta' 113 μs.Minħabba frekwenza ta 'arloġġ ta' 84 MHz, il-mikrokontrollur itemm l-operazzjonijiet kollha tal-algoritmu newromorfiku fi żmien 10 ms, u l-algoritmu jikkalkula ċiklu ta 'ħidma ta' 6.3%, u b'hekk juża modalità ta 'enerġija baxxa.Id-dissipazzjoni tal-qawwa li tirriżulta hija 244.7 μW.Innota li nħallu barra l-output ITD minn ToF u l-konverżjoni għall-angolu ta 'skoperta, u b'hekk nissottovalutaw il-konsum tal-enerġija tal-mikrokontrollur.Dan jipprovdi valur addizzjonali għall-effiċjenza enerġetika tas-sistema proposta.Bħala kundizzjoni ta 'tqabbil addizzjonali, aħna nevalwaw il-konsum tal-enerġija tal-metodi klassiċi ta' beamforming proposti fir-referenza.31.54 meta inkorporat fl-istess mikrokontrollur68 b'vultaġġ ta 'provvista ta' 1.8V.Ħames membrani pMUT spazjati b'mod uniformi jintużaw biex jiksbu data għall-formazzjoni tar-raġġi.Fir-rigward tal-ipproċessar innifsu, il-metodu ta 'beamforming użat huwa somma ta' dewmien.Sempliċement tikkonsisti fl-applikazzjoni ta' dewmien għall-korsiji li jikkorrispondi għad-differenza mistennija fil-ħinijiet tal-wasla bejn karreġġjata waħda u l-karreġġjata ta' referenza.Jekk is-sinjali huma f'fażi, is-somma ta 'dawn is-sinjali se jkollha enerġija għolja wara bidla fil-ħin.Jekk ikunu barra mill-fażi, interferenza distruttiva tillimita l-enerġija tas-somma tagħhom.f'relazzjoni.Fuq il-fig.31, tintgħażel rata ta 'kampjunar ta' 2 MHz biex tiċċaqlaq id-data b'numru sħiħ ta 'kampjuni.Approċċ aktar modest huwa li tinżamm rata ta 'kampjuni aktar oħxon ta' 250 kHz u tuża filtru ta 'Rispons ta' Impulsi Finit (FIR) biex jissintetizza dewmien frazzjonali.Se nassumu li l-kumplessità tal-algoritmu tal-formazzjoni tar-raġġi hija ddeterminata prinċipalment mill-bidla fil-ħin, peress li kull kanal huwa konvolvut ma 'filtru FIR b'16-il vit f'kull direzzjoni.Biex tikkalkula n-numru ta 'MIPS meħtieġ għal din l-operazzjoni, nikkunsidraw tieqa ta' 6ms għal kull kejl biex taqbad firxa ta 'metru 1, 5 kanali, 11-il direzzjoni ta' beamforming (medda +/- 50 ° f'passi ta '10 °).75 kejl kull sekonda mbuttaw il-mikrokontrollur sal-massimu tiegħu ta '100 MIPS.Link.68, li jirriżulta f'dissipazzjoni ta 'enerġija ta' 11.26 mW għal dissipazzjoni ta 'enerġija totali ta' 11.71 mW wara li żżid il-kontribuzzjoni ADC abbord.
Dejta li tappoġġja r-riżultati ta' dan l-istudju hija disponibbli mill-awtur rispettiv, FM, fuq talba raġonevoli.
Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y. L-importanza tal-ispazju u l-ħin għall-ipproċessar tas-sinjali f'aġenti newromorfiċi: L-isfida tal-iżvilupp ta 'aġenti awtonomi ta' enerġija baxxa li jinteraġixxu mal-ambjent. Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y. L-importanza tal-ispazju u l-ħin għall-ipproċessar tas-sinjali f'aġenti newromorfiċi: L-isfida tal-iżvilupp ta 'aġenti awtonomi ta' enerġija baxxa li jinteraġixxu mal-ambjent.Indiveri G. u Sandamirskaya Y. L-importanza tal-ispazju u l-ħin għall-ipproċessar tas-sinjali f'aġenti newromorfiċi: l-isfida tal-iżvilupp ta 'aġenti awtonomi ta' enerġija baxxa li jinteraġixxu mal-ambjent. Indiveri, G. u Sandamirskaya, Y.代理的挑战。 Indiveri, G. & Sandamirskaya, Y.Indiveri G. u Sandamirskaya Y. L-importanza tal-ispazju u l-ħin għall-ipproċessar tas-sinjali f'aġenti newromorfiċi: l-isfida tal-iżvilupp ta 'aġenti awtonomi ta' enerġija baxxa li jinteraġixxu mal-ambjent.Ipproċessar tas-Sinjal IEEE.Ġurnal 36, 16–28 (2019).
Thorpe, SJ Peak Wasla Ħin: Skema Effiċjenti ta 'Kodifikazzjoni tan-Netwerk Neural. f'Eckmiller, R., Hartmann, G. & Hauske, G. (eds). f'Eckmiller, R., Hartmann, G. & Hauske, G. (eds).f'Eckmiller, R., Hartmann, G. u Hauske, G. (eds.).F'Eckmiller, R., Hartmann, G., u Hauske, G. (eds.).Ipproċessar parallel f'sistemi newrali u kompjuters 91–94 (North-Holland Elsevier, 1990).
Levy, WB & Calvert, VG Communication tikkonsma 35 darba aktar enerġija mill-komputazzjoni fil-kortiċi tal-bniedem, iżda ż-żewġ spejjeż huma meħtieġa biex ibassru n-numru tas-sinapsi. Levy, WB & Calvert, VG Communication tikkonsma 35 darba aktar enerġija mill-komputazzjoni fil-kortiċi tal-bniedem, iżda ż-żewġ spejjeż huma meħtieġa biex ibassru n-numru tas-sinapsi.Levy, WB u Calvert, WG Communication jikkonsma 35 darba aktar enerġija mill-komputazzjoni fil-kortiċi tal-bniedem, iżda ż-żewġ spejjeż huma meħtieġa biex ibassru n-numru ta 'sinapsi. Komunikazzjoni Levy, WB & Calvert, VG Levy, WB & Calvert, Komunikazzjoni VGLevy, WB u Calvert, WG Communication jikkonsma 35 darba aktar enerġija mill-komputazzjoni fil-kortiċi tal-bniedem, iżda ż-żewġ spejjeż jeħtieġu tbassir tan-numru ta 'sinapsi.proċess.Akkademja Nazzjonali tax-Xjenza.ix-xjenza.US 118, https://doi.org/10.1073/pnas.2008173118 (2021).
Dalgaty, T., Vianello, E., De Salvo, B. & Casas, J. Kompjuter newromorfiku ispirat mill-insetti. Dalgaty, T., Vianello, E., De Salvo, B. & Casas, J. Kompjuter newromorfiku ispirat mill-insetti.Dalgati, T., Vianello, E., DeSalvo, B. u Casas, J. Kompjuter newromorfiku ispirat mill-insetti.Dalgati T., Vianello E., DeSalvo B. u Casas J. Kompjuter newromorfiku ispirat mill-insetti.Kurrenti.Opinjoni.Xjenza tal-insetti.30, 59–66 (2018).
Roy, K., Jaiswal, A. & Panda, P. Lejn intelliġenza tal-magni bbażata fuq spike b'informatika newromorfika. Roy, K., Jaiswal, A. & Panda, P. Lejn intelliġenza tal-magni bbażata fuq spike b'informatika newromorfika. Roy, K., Jaiswal, A. & Panda, P. Lejn Spike-Based Machine Intelligence mal-Kompjuter Neuromorfiku.Roy K, Jaiswal A, u Panda P. Intelliġenza artifiċjali bbażata fuq Pulse bl-użu ta 'kompjuters newromorfiċi.Natura 575, 607–617 (2019).
Indiveri, G. & Liu, S.-C. Indiveri, G. & Liu, S.-C.Indiveri, G. u Liu, S.-K. Indiveri, G. & Liu, S.-C. Indiveri, G. & Liu, S.-C.Indiveri, G. u Liu, S.-K.Memorja u ipproċessar ta 'informazzjoni f'sistemi newromorfiċi.proċess.IEEE 103, 1379–1397 (2015).
Akopyan F. et al.Truenorth: Disinn u sett ta 'għodda għal ċippa sinaptika programmabbli ta' 65 mW 1 miljun newron.Tranżazzjonijiet IEEE.Disinn bil-kompjuter ta' sistemi ta' ċirkwit integrat.34, 1537–1557 (2015).
Schemmel, J. et al.Demo live: verżjoni mnaqqsa tas-sistema newromorfika BrainScaleS fuq skala tal-pjanċa.2012 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), (IEEE ed.) 702–702 (2012).
Moradi, S., Qiao, N., Stefanini, F. & Indiveri, G. A arkitettura multicore skalabbli bi strutturi ta 'memorja eteroġenja għal proċessuri asinkroniċi newromorfiċi dinamiċi (DYNAPs). Moradi, S., Qiao, N., Stefanini, F. & Indiveri, G. A arkitettura multicore skalabbli bi strutturi ta 'memorja eteroġenja għal proċessuri asinkroniċi newromorfiċi dinamiċi (DYNAPs).Moradi S., Qiao N., Stefanini F. u Indiviri G. A arkitettura multicore skalabbli bi strutturi ta 'memorja eteroġenja għal proċessuri asinkroniċi newromorfiċi dinamiċi (DYNAP). Moradi, S.、Qiao, N.、Stefanini, F. & Indiveri, G. 一种可扩展的多核架构，具有用于动态神经形态神经形态神经形态神经形态神经形态夂扩展的多核架构内存结构。 Moradi, S.、Qiao, N.、Stefanini, F. & Indiveri, G. Tip ta 'arkitettura multi-core espansibbli, bi struttura ta' memorja unika għal proċessar newrali dinamiku (DYNAP).Moradi S., Qiao N., Stefanini F. u Indiviri G. A arkitettura multicore skalabbli bi strutturi ta 'memorja eteroġenja għal proċessuri asinkroniċi newromorfiċi dinamiċi (DYNAP).Transazzjonijiet IEEE dwar ix-xjenza Bijomedika.sistema elettrika.12, 106–122 (2018).
Davis, M. et al.Loihi: Proċessur multi-core newromorfiku b'tagħlim inkorporat.IEEE Micro 38, 82–99 (2018).
Furber, SB, Galluppi, F., Temple, S. & Plana, LA Il-proġett SpiNNaker. Furber, SB, Galluppi, F., Temple, S. & Plana, LA Il-proġett SpiNNaker.Proġett Ferber SB, Galluppi F., Temple S. u Plana LA SpiNNaker.Proġett Ferber SB, Galluppi F., Temple S. u Plana LA SpiNNaker.proċess.IEEE 102, 652–665 (2014).
Liu, S.-K. & Delbruck, T. Sistemi sensorji newromorfiċi. & Delbruck, T. Sistemi sensorji newromorfiċi.u Delbrück T. Sistemi sensorji newromorfiċi. & Delbruck, T. 神经形态感觉系统。 & Delbruck, T.u Delbrück T. Sistema sensorja newromorfika.Kurrenti.Opinjoni.Newrobijoloġija.20, 288–295 (2010).
Chope, T. et al.Integrazzjoni sensorja newromorfika għall-lokalizzazzjoni tas-sors tal-ħoss flimkien u l-evitar tal-ħabtiet.Fl-2019 fil-Konferenza IEEE dwar Ċirkwiti u Sistemi Bijomediċi (BioCAS), (IEEE Ed.) 1–4 (2019).
Risi, N., Aimar, A., Donati, E., Solinas, S. & Indiveri, G. Arkitettura newromorfika bbażata fuq spike ta 'viżjoni stereo. Risi, N., Aimar, A., Donati, E., Solinas, S. & Indiveri, G. Arkitettura newromorfika bbażata fuq spike ta 'viżjoni stereo.Risi N, Aymar A, Donati E, Solinas S, u Indiveri G. Arkitettura ta 'sterjoviżjoni newromorfika bbażata fuq spike. Risi, N., Aimar, A., Donati, E., Solinas, S. & Indiveri, G. 一种基于脉冲的立体视觉神经形态结构。 Risi, N., Aimar, A., Donati, E., Solinas, S. & Indiveri, G.Risi N, Aimar A, Donati E, Solinas S, u Indiveri G. Arkitettura newromorfika bbażata fuq Spike għal viżjoni stereo.quddiem.Neurorobotics 14, 93 (2020).
Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. Mudell ta 'netwerk newrali ta' spiking ta '3Dperception għal sistemi ta' viżjoni stereo newromorfika bbażati fuq avvenimenti. Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. Mudell ta 'netwerk newrali ta' spiking ta '3Dperception għal sistemi ta' viżjoni stereo newromorfika bbażati fuq avvenimenti.Oswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R., u Indiveri, G. Mudell ta 'Perċezzjoni ta' Netwerk Neural Pulsed 3D għal Sistemi ta 'Viżjoni Stereo Neuromorphic Ibbażati fuq Avvenimenti. Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. 基于事件的神经形态立体视觉系统的3Dperception 脉冲神经经炨神经形态立体视觉系统的 Osswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R. & Indiveri, G. 3Dperception 脉冲神经网络模型。Oswald, M., Ieng, S.-H., Benosman, R., u Indiveri, G. Spiked 3Dperception Mudell ta 'Netwerk Newrali għal Sistema ta' Viżjoni Stereo Neuromorphic Ibbażata fuq Avvenimenti.ix-xjenza.Rapport 7, 1–11 (2017).
Dalgaty, T. et al.Is-sejbien tal-moviment bażiku ispirat mill-insetti jinkludi memorja reżistenti u netwerks newrali li jinfaqgħu.Sistema bijonika bijoibrida.10928, 115–128 (2018).
D'Angelo, G. et al.Sejbien ta 'moviment eċċentriku bbażat fuq avvenimenti bl-użu ta' kodifikazzjoni differenzjali temporali.quddiem.Newroloġija.14, 451 (2020).
Ħin tal-post: Nov-17-2022